飛翼機有何優勢？為甚麼美軍最新轟炸機都採用是飛翼機？

說起飛機的機翼 大家腦海中第一時間想到的應該是F16或者是F35 這種較爲常見的氣動佈局 機翼與機身有明顯的區分 但實際情況呢 飛機還可以是這樣的 或者是這樣的 甚至是這樣的 機翼的平面形狀可謂是五花八門 有梯形 矩形 三角形 甚至是橢圓形等等 可謂是稀奇古怪 今天大兵就來聊一聊 各國爲什麼要把飛機設計成這樣呢 自從萊特兄弟發明了第一架飛機後 這個能夠帶着人在天上翱翔的工具 就逐漸進入了大衆的視野中 並且經過一戰的刺激 各國加大了對飛機的研發成本 於是各式各樣的飛機都被拿了出來 通過不斷的實驗 飛機的製造商們也總結了大量的經驗 在將這些經驗進行詳細的分析後 飛機的設計師們發現 現有的飛機不僅結構複雜 而且建造成本也居高不下 如果能有一款結構簡單維護方便的產品 成本必然能大幅度縮減 並在飛機市場上佔有一席之地 在仔細權衡了各種飛機的優勢後 美國的捷克諾斯羅普 最先發現了飛翼機的可行性 並且開始進行了實驗研究 但以當時的技術 若想造出一款安全可靠的飛翼機 還有很多障礙 在傳統的飛機設計中 飛機重心總是位於機翼升力中心的前面 這使得機翼提供的升力 會打破機身的平衡 導致飛機很容易造成機頭向下的俯衝趨勢 因此爲了平衡這種狀態 飛機的設計師們 通常需要在飛機尾部設計一些 小的向下作用力的控制翼面 用以抵消飛機在飛行時的俯衝趨勢 其基本原理呢 就是當動力減小的時候速度降低 機翼的升力降低 機頭也就會自然降低 然後飛機就會開始下降 而飛翼機則完全去掉了尾翼部分 飛機如果想要正常的起飛和降落 只能增加飛機兩翼的長度 而這些延長的機身處於平衡考慮 大部分還不能增加過重的載荷 同時增加機翼長度 還會增加飛機所受的阻力 降低飛機的整體性能 除此之外 翼面的增大也毫無疑問會增大飛機的重量 這就使飛機發動機必須提供額外的推力 以產生比原本飛機所需更大的升力纔行 傳統的飛機佈置方式 即對機翼產生向後的彎曲傾向 所以有時候機翼會在重心的前面 有時候會在重心後面 如果沒有額外的控制翼面 就可以降低阻力和重量 在大多數情況下 這樣做都可以顯著的減小飛行阻力 而設計師也可以專心解決穩定性的問題 採用飛翼還有一個致命的缺點 即爲使機身隱藏於機翼中 飛機的機翼必須設計的比通常的機翼厚的多 在低速時這一點無關緊要 但是當飛機接近音速時 在機翼相對較厚的部位 就會產生巨大的阻力效用 所以飛翼註定了無法進行高速飛行 它們對阻力比一般飛機更爲敏感 除此之外 在高速時還會出現一系列的穩定性問題 結合了上述的種種原因 雖然美國很早就意識到了 飛翼機可能具備一些常規機翼所不具備的優勢 但限於當時的技術和資金問題 並沒有進行進一步研發 與此同時的德國卻開始加快研製飛翼機 1943年 德國空軍部長赫爾曼·戈林 邀請了當時德國的各家飛機制造商的代表 計劃研製一款新型轟炸機 現在戰爭局勢已經陷入僵局 我們需要一款新的轟炸機 空軍希望該轟炸機能夠以一千公里每小時的速度 攜帶一千公斤的負載 飛行距離超過一千公里 傳統的德國轟炸機能夠達到英國各地的盟軍標準 但在此過程中遭受了盟軍戰鬥機的毀滅性打擊 爲了滿足德國空軍的需求 採用傳統的飛機設計肯定是無法達到這個目標的 因此飛機設計師們決定只有使用低阻力飛翼設計 可以滿足所有目標 通過減少阻力 可以將巡航功率降到可以滿足航程要求的程度 這便是後來的HU229 雖然這款飛機研發出來沒多久 德國便宣佈戰敗 研究數據以及一架原型機是被美軍繳獲 二戰結束後 各國後續的轟炸機設計都採用了最爲常見的後掠翼佈局 比如蘇聯的圖16 美國的B47 這種設計的優點的便是各項性能都比較均衡 而且應用廣泛 設計完善 有足夠的經驗可循 但問題呢也很明顯 由於各項性能都比較均衡 帶來的結果便是沒有任何突出點 進入冷戰後 隨着美蘇科技競賽適應於各種情況下的飛機 都如雨後春筍般的出現 沒有任何亮點的常規翼飛機便逐漸被人們冷落了 你們看見了嗎 從德國運回來的那架飛機還真是壯觀呢 它居然沒有尾翼 整個機身和機翼融爲了一體 簡直不可思議 數據我已經拿到了 確實很讓人驚訝 沒想到德國人居然搞出來了這種東西 一開始我也想過飛翼機 但我當時覺得還有很多不確定性 因此沒有跟上面說起這件事 現在德國人已經幫我們把研究道路掃乾淨了 這款飛機的性能如此優秀 我們應該提前研製總結經驗 軍方下一步肯定會尋求新式轟炸機 到時候我們就可以輕鬆拿下訂單了 秉承着說幹就幹的原則 諾斯羅普公司在總結了德國的經驗後 開始研製自己的飛翼機 不久後 諾斯羅普便拿出了YB-49轟炸機 但是由於設計理念太過超前了 許多問題並未得到妥善的解決 因此在後續的產品競爭中 很快被更傳統的康威爾B-36取代 這款YB-49最終並未量產 便草草收尾了 與此同時 波音公司也發現了飛翼機的優勢 即在中低速範圍內仍能保持優異的性能 但介於諾斯羅普在轟炸機研製上面的失敗經驗 波音便放棄了將其設計成一款轟炸機的方案 而是試圖進行一身融合運輸機的項目研究 這種運輸機呢 具有洛克希德C-130大力神的尺寸大小 同時有更遠的航程和多出三分之一的運載能力 但是由於技術問題也並未實現 因此各家公司基本放棄了飛翼機的設計 並將其定爲不可行方案 只有諾斯羅普公司仍舊認爲這是可行的方案 在後續的經驗總結中 諾斯羅普公司發現飛翼機設計也不能彌補載油量的要求 後來更大的普通形式的飛機 像波音的B-52轟炸機被建造出來取代了飛翼設計 隨後的遠程轟炸機再也沒有采用飛翼形式的 諾斯羅普公司的飛翼機構想似乎已經破滅了 1980年代隨着雷達技術的普及 轟炸機想再輕而易舉的進入敵方領空已經十分困難 即便是有戰鬥機護航的情況下 也不一定能保證完成打擊任務 爲了反制雷達 美軍希望研製出一款具有雷達隱身特性的轟炸機 而飛翼的設計思路便又被重新提了出來 作爲一種可以大幅度降低雷達反射信號的方式 再次引起了人們的注意 經過多年研究 許多技術性難題都被諾斯羅普公司給攻克了 於是推出了B-2隱形轟炸機 由於採用了飛翼設計 隱身性能獲得了大幅度提升 幾乎碾壓了一衆競爭產品 20世紀80年代中期 美軍計劃採購132架B-2轟炸機 但後來減少到75架 到90年代初 蘇聯解體唯一能夠威脅到美國的實力 已經不存在了 美軍開始在預算壓力和國會反對下 大幅度縮減軍用支出 國防部宣佈B-2的生產量將限制在20架 每架飛機成本更爲5.66億美元 僅搭配一個B-2轟炸機中隊 便要花費美軍154.8億美元的成本 而1997年成本是進一步上升 每架B-2造價達到了9.29億美元 因此爲了進一步節省開支 美軍計劃在B-2的基礎上 研發更爲省錢的B-2-1轟炸機 從而進一步縮減製造成本 自從B-2和B-2-1問世以來 人們對飛翼機有了全新的認識 相比於傳統飛機 飛翼機不會產生向後彎曲的傾向 並且提高了啓動效率 增大航程 具有良好的雷達隱身性能 提高飛機的啓動性能 增加了生力 但缺點也十分明顯 飛翼機在某一飛行速度下 操控難度大 飛機偏轉或者縱向擺動時 難以及時糾正 而且起飛和着陸滑跑時 需要較長的距離 並且機翼必須加厚加重 來承受較大的風阻 不適合高速飛行 但作爲一款轟炸機 這些問題則可以完全忽略 因爲針對需要高空高速作戰的戰鬥機 美軍有其他的設計方案 爲了適用於高空高速戰鬥環境 各國開始普遍採用 三角翼的啓動佈局 研製新型戰機 包括蘇聯的米格二五 歐洲的陣風戰機等 這樣設計飛機的優勢也十分明顯 在進行超音速飛行時 所受的阻力相比其他的機翼佈局小 機鼻形成的衝擊波 到達三角翼的大後掠前緣時 會使三角翼產生非常高的啓動效率 在大迎角飛行時 三角翼的前沿還能產生大量渦流 負載上翼面能提高升力 因此三角翼在進行高空超音速飛行時非常理想 但低速飛行時的機動性和操縱性則十分不佳 比如在起飛降落和低空對地攻擊時 會對飛機產生不利影響 機翼翼間會產生氣體分流 造成機翼顫動 而且持續盤旋時大面積機翼會造成大阻力 造成持續盤旋能力低 除了三角翼和飛翼外 還有可變後掠翼和斜翼飛機 可變後掠翼的典型代表便是美軍的F14 但自70年代後 再沒有新設計的戰機使用可變後掠翼了 其實原因也很簡單 第四代戰機追求機動性 對速度的要求下降 到了90年代的F18 即使極限速度只有1.6馬赫 也足以應付絕大多數的戰鬥 速度低了 降低阻力也就不再那麼重要了 隨着計算機技術的進步 可以設計出以更低的代價 實現相差不大的性能 例如可以採用翼面擾流板 前沿機動機翼等 不一定要用昂貴 而且又不便於維護的可變後掠翼 而且隨着計算機的進步 降低阻力並不再像以往那麼重要了 因爲引擎技術改進 推力比以往增加了不少 最佳例子就是F22的 F119渦輪風扇發動機 使氣動阻力比以往有極大的改善 也能做到超音速巡航 而現代戰機將引伸性能 幾乎成爲了必備 可變後掠翼會增加設計難度 而且還會降低引伸效果 以F14爲例 不僅後勤維修較難 成本和重量也比傳統機異大 另外在1979年到1982年間 美軍開始設計協議機 但是這並非異想天開 在風洞研究表明 協議飛行速度可以高達1.4馬赫 比傳統機異的飛機 有着更好的空氣動力性能 在高速飛行時 無論是亞音速還是超音速 機翼都將與飛機機身旋轉最多60度 以獲得更好的高速性能 這些角度將減少空氣動力阻力 從而在相同的燃油消耗下 提高速度並且延長航程 在較低的速度下 在起飛和着陸期間 機翼將像傳統機翼一樣的垂直於機身 以提供最大的升力和控制質量 當飛機速度增加時 機翼將舒轉以增加傾斜角 從而減少阻力並降低燃料消耗 機翼只能向着一個方向掃略 右翼肩向前移動 最後各位還聽說過哪些奇奇怪怪的飛機設計呢 歡迎在評論區留言討論 我是大斌 我們下期再見