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本帖最后由 晨枫 于 2016-12-14 22:56 编辑
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近年来，中国军事现代化进入了快车道，航空科技正在起飞。但另一方面，中国航空科技还任重道远，还有太多的空缺需要填补，其中包括中型通用平台。这是公务机一级的通用飞机，主要用于中等特种载荷、长航时、远程任务，比如预警、视距外侦察监视、电子战、海上巡逻等，在有人无人组网作战中，还可担任空中前进指挥所，控制作战进程。
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公务机通常用于VIP运输，但这样的中型通用平台也是重要的军用平台
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3 O& I! i' t2 \* w6 i- Z( T雷西恩“哨兵”是基于庞巴迪尔“环球快车”的战场监视飞机
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- B9 C, u$ X5 X( e巴西航空R-99是基于ERJ145的预警机，ERJ145是支线客机，与公务机同级
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6 v) J( j# n" l* U5 O达索“猎鹰”900MSA是基于“猎鹰”900的海上巡逻机7 n8 [" c ]& p, q1 L% _! U
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用于靶机拖带、投放更是常见，这是澳大利亚Air Affairs Australia的“利尔喷气”35; f( U3 f3 B) H' ?0 r5 k) v" t
3 g, z( U# X; I% _7 z8 o在欧美，有大量现成的远程公务机可以用作平台，典型的有美国的湾流G550、“利尔喷气”、雷西恩“隼800”、加拿大庞巴迪尔“环球快车”等，不仅作为要员专机，还作为电子侦察、空地监视、空中预警、海上巡逻等，当然还有更加传统的靶机拖带。中国缺乏现成的平台，仅有的ARJ21不适合远程、长航时需要，C919太大，用于特种任务时经济性不好。军事应用也是要考虑经济性的，尤其是在和平时代。国防是用来保障经济发展的，不是给经济发展增加不必要负担的，只有讲求经济性的国防发展才是可持续的。* v" p8 c! c; n- U( X
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说道经济性，现有飞机的主流设计为筒体-机翼构形，也就是具有筒形机体和明显的机翼、尾翼，经济性并不好。筒体-机翼构形有很多优点，筒体是承载的主体，机翼是产生升力的主体，各司其职，设计和制造技术也已经成熟。筒体便于分段制造，规则的圆筒还容易加长、缩短，以适应不同需要。但筒体-机翼也有明显的缺点。筒体只产生很少甚至不产生升力，机翼只承受很少甚至不承受载荷，机翼与筒体结合的翼根处应力集中，必须极大地加强局部结构，带来重量增加。很多年来，人们致力于研究更加高效的气动体，其中以飞翼为极致。
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典型筒体-机翼构形的飞机有明显的机翼、尾翼，功能清楚，设计成熟，但产生升力的机翼不承载，承载的筒体不产生升力，应力集中在翼根，受力和结构效率不好) o' S" l2 i3 U$ \2 L
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( B! k/ m7 N5 x飞翼没有机翼、机身之分，产生升力与承载是同一结构，受力和结构效率大大提高8 R6 j: A' P o( Z
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& r! f! p \ \" ^' ?+ n( W h相比于最大载客量500-600人的波音747-400来说，载客量超过800人的飞翼的尺寸大大减小，阻力也减小，尽管翼展有所增加
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理想飞翼的载荷沿翼展均匀装载，B-2已经很接近了
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飞翼取消了筒体，载荷直接在肥厚的机翼内装载，而且沿翼展均匀分布，应力也因此均匀分布。在理论上，如果能在任何时候都做到升力与重力的平衡而且绝对的均匀分布，飞翼用纸糊都可以，对结构强度的要求降到最低。这当然在实际上是不可能做到的，至少在地面上静止的时候，结构要能够承担自身和载荷的重量，不能还没有飞起来就散了架。重量分布也不可能绝对均匀，总是有的部位更重，有的部位更轻，轻重部位之间总是有一定的应力存在的。但飞翼的气动效率和结构上的好处还是显而易见的，问题是飞翼有本质上的气动控制难题，在制造上也多有不便。
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: q+ ]% P( u+ O飞翼可以有垂尾，也可以取消垂尾。无尾飞翼不仅具有隐身的好处，也降低重量和阻力。飞翼的横滚依然由副翼控制，俯仰由襟翼-平尾控制，方向则由襟副翼不对称展开、形成差动阻力来控制。
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无尾飞翼可以看作一个完整的机翼，但除了机翼外，什么也没有了。没有传统的筒形机体，也没有传统的平尾垂尾。飞翼后缘的襟翼-平尾与重心和气动中心的距离很短，俯仰控制力矩天然较短。除了燃油消耗外，飞翼的重心还大体不变，但气动中心（也称升力中心）随速度与姿态而改变，本来就短的俯仰控制力矩相对与气动中心的移动就很敏感，造成很大的飞控问题。另一个问题是方向安定性，传统的筒体-机翼构形具有较长的纵长，垂尾好比风向标的羽翼，起到自然稳定的作用。但无尾飞翼只有靠适当打开的副翼和上表面阻力板来保持方向安定性，上下同时打开以抵消额外升力影响，两侧同时打开以保持阻力平衡。在气流扰动下发生向左的偏航时，左侧翼尖相对于前进方向有所后退，气流相对速度减小，阻力减小；右侧翼尖则相对前进，气流相对速度增加，阻力增加。两侧力平衡的结果是飞机向右扭转，回归正常的前进方向。气流扰动下向右偏航的情况也可类比分析。所以飞行中的B-2翼尖好像微张的嘴巴，永不闭拢，对隐身与减阻的优越性有所抵消。/ F! ~6 @% ? f! a! o" J' ~+ @' z- ~6 b
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没有垂尾的B-2只有用上下对称打开的副翼实现方向控制，通过左右不对称打开产生偏航力矩，改变方向
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最早的B-2设计很像现在的B-21，但还有内倾双垂尾
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' ?% R0 M5 Z' u+ G+ n3 s# s由于俯仰控制力矩太短，B-2最后把中间的三角形后体改成W形，增加一点纵向力臂，才能解决飞控问题
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" [; Y9 W* v" H$ ~9 |在制造上，传统筒体即使不是简单圆柱的话，也基本上是规则的空心筒体，框架和受力蒙皮构件适合批量制造。但飞翼好比放大的机翼，内部充满纵向的框架和横向的桁梁，每一个截面都不一样，所有构件都需要定制，空心的货舱部位更是要重新考虑，设计和制造上的效率较低。另外，由于货舱需要较大、较完整的空间，加上发动机的安排，飞翼的中轴线部位必然更加肥厚，应力也有所集中，B-2就是这样的。理想飞翼只存在于想象中。! q/ P/ G* K: f2 j- n- D
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波音从90年代开始，研究介于飞翼和筒体-机翼之间的翼身融合体（Blended Wing Body，简称BWB）。从计算、风洞研究和自由飞试验可以推断，对于300座以上的大型飞机而言，BWB可以达到降低油耗50%以上的惊人效果，背部发动机的进气和喷气都受到机体屏蔽，地面感受噪声很低。NASA正在研究四种未来客机构形，BWB就是其中一种，而且是降低油耗和噪音效果最大的方案。1 L9 ]& T! z0 `6 l* a; u) o$ h
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翼身融合体（BWB）在外观上与飞翼很像，但具有明确的中央机体和高度融合的机翼% p' h- O d6 @# |5 B* [
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) c& L! W$ P* c: u) C与典型飞翼相比，中央机体明显加厚! T! B4 I5 g% \( n
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BWB的宽扁中央机体还可以有纵墙加强$ y' M2 q0 `9 p8 l) u" ~! w6 Q( a: s, T
. p \7 p& J a+ N6 j4 B0 g* M( r在结构上，BWB以大大加宽的扁平筒体为基础，机翼在翼根大大加厚，自然、圆滑地融入机体。内部结构依然有明确的机体、翼根和机翼，但外观上浑然一体，机翼与机体没有明显的分界线，与飞翼很难区分。BWB的机翼依然是升力的重要来源，但特别宽大的机体也可提供40%以上的升力，因此对于同样起飞重量的飞机，机翼翼展和翼面积可以大大减小，降低机翼的诱导阻力。
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$ }0 } F$ v$ n w& _ h但BWB毕竟是有机体的，机体后端可以延长到机翼后缘之后，扁宽的“燕尾”不仅可以作为安装发动机的位置，也可以安装外倾的双垂尾，不仅有利于维持方向安定性，也对发动机的噪声形成有效的侧向遮挡。在军事上，双垂尾也起到发动机的侧向雷达屏障作用。燕尾还具有较长的力臂，有利于有效的俯仰控制作用，大大改善无尾飞翼的飞控难题。B-2的原始设计与现在的B-21想象图很相像，基本上是以简单菱形为基础，前缘向两侧延伸，形成机翼外段。在风洞试验中，发现菱形后斜边的襟翼有俯仰控制力矩不足的问题，这才把后缘改成现在的W形，也就是在本来的“胳肢窝”里填进一个额外的菱形，形成更加靠后的襟翼，增加俯仰控制力矩。诺斯罗普当然对当年B-2的设计沿革很清楚，B-21回归老路不排除新的技术突破解决了当年的老问题，也可能想象图与最后设计相差甚远，就像当年流传的“F-19”与现实中的F-117一样。但BWB俯仰飞控的问题就较小，也相对容易解决。; s8 v% a( |; K' h1 N3 H
5 i" ]7 x9 z9 g. e5 ^( J2 L( l不过BWB在实用中也有难于解决的问题，否则早就进一步推广了。) D. p# L+ z- ~( _
8 e! b/ e2 P* L( T: W- oBWB用于货运问题还不大，但用于客运的话，机舱布置很不好办，不像传统的纵列的飞机座，倒像横排的剧院座，大量座位在“暗无天日”的中间，非常不舒适。另外，这样的扁平宽大机舱很不容易解决紧急疏散的问题，日常运作的登机离机也不好办。
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& j1 Z9 B3 }$ H* u. yBWB对于大型飞机有显著的减阻作用，在起飞重量相同的情况下，湿面积显著降低。但对于小型飞机而言，机舱厚度有一定的下限，加上地板下行李-货物空间和起落架，中央体相对肥厚，机翼与中央体的融合就很别扭，也破坏了BWB的最优翼展-中央体厚度的比例，影响气动效率，增加湿面积。缓和过渡的话，翼根过于肥厚，阻力加大；急剧过渡的话，BWB的气动优越性难以体现，实际上回到了筒体-机翼，只是筒体扁宽一点而已。# L! A" q# ?& |# a. V
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BWB通常适合大型飞机，但适当优化，也可用于中型平台，与传统的筒体-机翼相比，也有20%的节油能力
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特别宽大的地板面积很适合用于布置任务设备，如大型雷达天线+ ?# }5 ]+ }5 m& b* ?, s; `
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" F9 K$ }4 c w" x# ~BWB也适合用作加油机
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+ H8 d) g$ N4 L+ ~- u2 g但是换一个思路的话，地板下空间取消，行李舱/货舱转移到肥厚的翼根内，主起落架也转移到翼根内，这样中央体的厚度可以显著降低，更加便于翼身融合。据报道，小型BWB与筒体-机翼相比，也有至少20%的节油能力，这还是很显著的。与相同起飞重量的筒体-机翼构形相比，翼展也有所缩短，长度则缩短近1/3。; S' t# U( d& b+ X
8 S+ w4 N! y$ B0 e6 m8 U除了节油外，BWB机体宽大，提供了三倍的地板面积，使得机舱布置可以完全转变思路。现有支线客机为了限制起飞重量和运营成本，常在2+2座位和2+3座位之间纠结。2+2的机舱直径小，阻力小，制造和飞机（相对于座-公里）运营成本低，但2+3明显更加舒适。改为BWB的话，前半的公务舱可以1+2+1和2+2+2形式安排宽大座位，后半的经济舱可以沿中央墙分隔成两个3+3的机舱，但每个机舱只有8排座位，走廊长度较短，便于登机离机。公务舱的两侧有通常的机窗，经济舱的两侧是肥厚的翼根，无法开窗，只有开天窗。这样的106座客机在技术上是可以实现的，但在旅客接受程度上还需要磨合，机场设备（如登机桥）和运作（如机位间隔）也需要重新考虑。- C- s6 J+ i* I4 o* O5 a- ?" }/ i" Z
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但用于军用平台的话，很多民航上难于解决的问题都不是问题。BWB当然可以用于轰炸机或者加油机。BWB比筒体-机翼更加隐身，这不仅对轰炸机具有极大价值，对加油机也越来越重要。加油机越来越成为空中战争体系的重要节点，打掉一架加油机可能造成好几架战斗机因为燃油耗尽而坠毁，或者被迫提前退出战斗，作用比陆战中打掉一辆油罐车而困住一个坦克连还要显著、直接。美国空军已经着手研究下一代加油机，可能将脱离从大型民航客机改装的传统技术路线，专门研制隐身而且具有激光自卫反导能力的先进加油机，BWB正是首选方案。但对中国来说，中型通用平台是更紧迫也更有突破意义的应用，BWB特别宽大的地板面积是特别有用的特点。
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中国在预警机技术上已经取得突破。过去由于伊尔-76机体数量的限制，空警2000只有5架（一说3架）。好在以国产运-9为平台的空警500接了上来，在数量上不再受制于人。但是伊尔76的机体较大，可以承载较大的天线，也可以容纳较多的指挥控制设备和人员，具有更大的续航时间，作为预警-指挥一体的空中指挥所，具有运-9为基础的空警500所难以比拟的优势，电子技术的进步也不能完全不足差别。. z2 M4 Z+ |4 L, z/ r9 ^/ H
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另外，运-9是运输机，油耗和航程都不理想，77吨的最大起飞重量只有5700公里的航程。相比之下，最大起飞重量只有41吨的湾流G550的航程却达到12500公里。中型BWB较高的气动效率就有了特别的意义，其三倍于同等重量筒体-机翼构形的地板面积则正好适合安装雷达。传统预警机在背上背一个大盘子，这是不得已的做法，筒体没有足够的宽度。但BWB接近短矩形的地板就没有这个问题了。机内安装的雷达不仅保形，还降低气动阻力和飞控稳定性问题，并且便于维修。0 r8 T3 K" Z, C( K$ k3 B, A
( T; U8 A+ n& h, n. SBWB宽大的地板也有利于电子战平台的各种天线，足够的物理距离总是为更好的电磁隔离创造条件。用于海上巡逻或者远程空地监视时，宽大地板便于安装各种传感器和观察窗。空中指挥所更是需要地方，才能摆开各种通信指挥控制台。
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BWB缩短翼展对舰载飞机更是有特别意义。航母的战斗力在于完整的空中力量单元，预警机是不可或缺的一部分。直升机预警机是没有办法的办法，续航时间、巡航高度、离舰距离、雷达尺寸都受到很大的限制。现在世界上只有美国的E-2是唯一的固定翼舰载预警机，基本设计是50年代的，1960年就首飞了。最新的E-2D换了骨，但是依然没法脱胎，因为航母升降机尺寸限制，也因为翼展不能过大，要避免起飞、降落时与两侧停放的飞机、设备发生碰撞。增加翼展可以带来很多气动、航程、载重上的好处，但要是需要清空两侧飞机才能起降，那就没有出动率可言了。同样重量的BWB的翼展较小，BWB的发动机通常安装在“燕尾”部位，不需要安装在机翼上（像E-2）或者在翼下（像各种民航客机），因此机翼的折叠线可以相应向中轴靠拢，较短的总长更是适合航母升降机的需要。翼根结构肥厚，便于加强，也适合航母起落架需要特别加强的特点。这些特点都使得BWB成为航母舰载中型平台特别值得考虑的方案。
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; P) Y0 L+ f0 M+ i- BBWB舰载机除了预警机外，还可以有很多应用，比如反潜机、电子战机、加油机，甚至可用于勤务运输，在岸舰之间运送重要物资、设备和人员，或者将急病人转送到岸上医院。
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中国航空科技正在起飞的前夜，在吸取各国先进经验中少走了很多弯路。但中国的目标不是永远紧跟，而是创新、突破。后发优势不仅在于减少走弯路，更在于放下包袱，弯道超车。中国已经在一些领域取得引人注目的突破，反舰弹道导弹、量子通信、石墨烯等都是例子。BWB会是下一个吗？
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发表于 2016-12-15 12:59:49
