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轰-20会是超音速飞翼吗
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作者:
晨枫
时间:
2024-6-30 07:08
标题:
轰-20会是超音速飞翼吗
在两会期间，空军副司令王伟被记者问到轰-20，回答一句“快了”，弄得人们心潮澎湃。在歼-20、运-20、直-20之后，轰-20可能是最引人注目的缺失了。
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2000年，空军司令刘顺尧在新加坡香格里拉军事论坛上提出，中国空军从国土防空转向“攻防兼备，首战用我”。2021年8月31日，中国空军新闻发言人申进科在珠海航展新闻发布会上表示，中国空军已经历史性地跨入战略空军门槛。从那时开始，人们对中国空军向攻势空军转型的具体含义不管怎么猜测，战略轰炸机始终占有关键位置。
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多年来，轰-20的各种传闻一直不断。眼下，王伟也只说“快了”，并无更多信息，结果是各种猜测统统回炉。
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轰-20具有隐身能力，这大概是所有猜测中唯一的共同点。有了B-2和B-21的先例，轰-20很有可能是飞翼构型。一般认为是无尾飞翼，也有人认为是具有浅V形尾翼甚至可升降V形尾，可以在水平和浅V之间按需转换。
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可升降V形尾是有意思的构想。无尾飞翼需要用开裂式副翼产生不对称阻力来控制方向。即使在飞行方向不需要补偿的时候，也需要保持一定的开度，以保证一旦需要时动作灵敏，但永久性保持一定开度的控制面引起额外阻力。
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在理论上，可升降V形尾在升起状态下相当于常规的全动V形尾，可避免开裂式副翼的使用，提高方向安定性；放下到水平状态时，改用开裂式副翼控制方向，但尾翼与机翼在同一平面上，隐身较好。
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但可升降V形尾不仅结构和机械上很复杂，气动和隐身上也可能鱼与熊掌兼失。在放平状态下，尾翼前缘和机翼后缘之间不可能严丝合缝；机翼和尾翼有各自的翼型，也不可能在接缝处做到气动上的连贯和平整。间隙不仅是隐身大患，还构成严重的局部气动干扰。在升起状态，差动副翼的阻力换成垂尾阻力，也未必有多大的优点，不同控制机制之间的无缝转换更是飞控难题。
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轰-20可能是直截了当的无尾飞翼。
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但最大的争议可能还是坊间给轰-20加上的超音速要求。
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无尾飞翼未必和超音速冲突，但超音速确实给无尾飞翼带来极大的困难。
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超音速要求翼型很薄，迎角很小，以避免过度的诱导阻力。迎角小不是多大的问题，但翼型很薄就问题大了。
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飞翼的关键在于没有机体，所有结构和重量统统用于产生升力的机翼。也就是说，人员、载荷、发动机都需要在机翼内。很薄的翼型显然不利于容纳这么多东西。B-2实际上已经是不彻底的飞翼，中线部分大大加厚，用于容纳飞行员座舱、弹药舱、发动机舱。但B-2的机翼依然肥厚，翼内油箱有足够大的容积。
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换到超音速的薄翼型的话，翼内油箱就没空间了，迫使中央部分大大加厚，那时也就和没有垂尾的筒体-机翼构型差不多，谈不上无尾飞翼了。
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另一个问题是配平。
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在各种速度、姿态、载荷下，飞机的重心和升力中心不会总是重合，需要平尾（鸭翼具有同样的作用，以下以平尾统一代表）配平，保持平飞姿态。
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对于亚音速飞行来说，升力中心通常在机翼1/4弦长的位置，也就是说，从机翼前缘算起，在机翼宽度约1/4的地方。实际机翼较少用规整的矩形，弦长随展向上与机身中线的距离而变化，所以取平均弦长。升力中心一般认为在1/4平均弦长的位置。
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机翼升力中心与重心之间的距离就是需要配平的俯仰力臂。平尾升力中心与重心之间的距离就是平尾提供的配平力臂。机翼升力与平尾升力可粗略认为由各自的翼面积决定。配平是力矩平衡的过程。平尾越是远离机翼升力中心，需要的平尾控制面的面积越小。
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但在超音速飞行时，由于激波的作用，升力中心会后移到1/2弦长的位置，也就是说，俯仰力臂突然加倍，导致严重的低头力矩，这就是“马赫埋头”现象。在早期突破音障的试验中，人们对“马赫埋头”现象认识不足，飞机刚突破音障就突然发生失去控制的俯冲，然后就是机毁人亡。
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这有两个原因。
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首先，“马赫埋头”使得飞机不由自主地转入俯冲。
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其次，用于俯冲改出的平尾控制力矩不足。常规平尾与垂尾相似，前半是固定的，后半是可动的舵面。突破音障时，铰链线导致的激波屏蔽了舵面，使得改出控制非常不力，甚至完全失效。
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在血的教训之后，超音速飞机的平尾改用全动平尾，在发生“马赫埋头”的时候提供足够的控制力矩。但最重要的还是保证平尾相对于机翼平均弦长有足够的控制力矩，也就是说，平尾位置要足够靠后。苏-27、F-22等超音速战斗机的平尾几乎完全“悬挂”于尾喷口之后，就是为了获得最大的平尾控制力矩。
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这只有筒体-机翼构型才可能。没有机体的飞翼在本质上就不可能有太靠后的“平尾”。对于“纯正”的亚音速飞翼，如果升力中心与重心位置大体重合，升力中心在1/4平均弦长，平尾（实际上是飞翼后缘的襟副翼）控制力臂的极限也就是3/4平均弦长，大大低于传统筒体-机翼构型动辄几倍甚至十几倍的长度。
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B-2的俯仰控制力矩不足是臭名昭著的问题，起飞和着陆时姿态奇怪地水平，部分原因就是因为难以拉出大迎角。设计要求从高空突防改为高低空兼优后，需要考虑低空抗阵风的问题，为此机尾改为复杂的“双W”外形，以尽可能增加靠后的水平控制面面积。B-21取消低空突防要求，只需要考虑高空，阵风补偿的要求大大降低，后缘恢复到B-2原始设计的简洁的“单W”构型。
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超音速减阻要求的大后掠三角翼的后缘相对靠后，但平均弦长也相应增加，水涨船高，俯仰控制的难题还因为速度快、反应窗口有限而更难了。最大的麻烦则是升力中心现在后移到1/2平均弦长，平尾力臂比亚音速情况又损失了1/4弦长。也就是说，亚音速飞翼本来已经有俯仰控制力矩不足的问题，超音速的问题极大恶化了。
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大大增加控制面面积，采用推力转向，甚至用前缘控制面与后缘控制面一起一抬一压，办法总是有的，代价也是大的。最终就是是否值得的问题了。
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轰炸机能达到超音速是有用的，问题在于代价是否值得。超音速作为突防手段早已过时，超音速对于打击时间敏感目标的作用则可由导弹的速度代替。要实现超音速，在百吨以上的飞机和几吨的导弹之间，后者要容易得多。如果使用高超音速打击导弹，轰炸机是否超音速更加无所谓了。
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气动上的困难和缺乏实用价值，使得轰-20不大可能为超音速飞翼。
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轰-20最可能的构型依然是高亚音速无尾飞翼，在隐身、航程方面达到最优，在气动上也比较成熟。
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