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晨枫:彩虹-7号的意义何在?

2018-11-26 07:50:15

【文/观察者网专栏作者 晨枫】

在2018年珠海航展上,除了万人瞩目的歼-20和歼-10B矢推,还有神秘的彩虹-7。这架中型无尾飞翼无人机引起人们很多遐想。

严格来说,这是翼身融合体(简称BWB),而不是飞翼。两者的差异主要在结构,而不是外观。翼身融合体还是有中央筒形机体结构的,由传统框架作为主要承力结构,但机翼与机体的过渡高度圆润,从外观上浑然一体,不过隆起的肥大机脊通常露出马脚。飞翼没有筒形机体,整个结构就是完整的机翼。但在外观上两者实际上很难区别,在气动和飞控上两者也没有多少差别,因此通常混为一谈。

彩虹-7实际上应该是高度翼身融合的构型

航天科工海鹰集团的“天鹰”无人机相比之下属于比较传统的“飞翼”构型

B-2作为第一种实用的飞翼,其设计对于后来者来说有很大借鉴意义

飞翼把整个结构都用于产生升力,因此升阻比达到最大。换句话说,只需要最低推力就可升空、巡航,因此同样起飞重量下可以获得更大的航程。飞翼没有平尾,还可以取消垂尾,特别简洁的外形不仅降低重量和阻力,也降低雷达反射特征。典型飞翼的下表面是完全平坦的,在高空飞行时,把地面或者低空战斗机雷达的反射削弱到最低,进一步强化隐身。由于整个结构都相当于机翼,翼载特别低,特别适合高空飞行。B-2的翼载只有329公斤/平方米,比F-15C、F-22的359、377公斤/平方米还低,F-16和F-18分别为431、450公斤/平方米,F-35则高达525公斤/平方米,都大大高于B-2。距离是隐身最大的战友,高空巡航天然增加了距离,所以B-2的初始设计是为高空优化的,低空突防要求是后来增加的。

根据在航展上公布的数据,彩虹-7长10米,翼展22米,最大起飞重量13吨,巡航速度M0.5-0.6,最大速度M0.75,巡航高度10000-13000米。采用两台50kN级涡扇发动机。设计留空时间15小时,按M0.5计算,约9200公里。机腹的两个大型弹舱内可携带2吨弹药,包括反辐射导弹和空舰导弹。

传闻中的RQ-180无人机为了提高航程性能,也是采用了大展弦比设计,不过它比兼顾攻击任务的彩虹7翼展更大

相比之下,诺思罗普X-47B长11.6米,翼展18.9米,最大起飞重量20.2吨,巡航速度M0.9+,巡航高度12800米,采用单台普拉特-惠特尼F100-220U非加力涡扇,推力65kN,航程3900公里。机腹的两个大型弹舱内也可携带2吨弹药。

显然,彩虹-7与X-47B有很多相似之处,但也有很多不同。首先,长度更小,而翼展更大。这说明彩虹-7的气动设计以长航时为重点,这也在彩虹-7两倍以上的航程上显示出来,代价是较低的速度。这反映了不同的定位:X-47B以打击为重点,但彩虹-7可能是以情报-监视-侦察(简称ISR)为重点。也就是说,与诺斯罗普RQ-180的定位更接近。

RQ-180更大,除了非武装、翼展40米和升限18000米外,很少有公开的数据。外界猜测最大起飞重量约15吨,留空时间24小时,航程可达22000公里。RQ-180的性能与同样出自诺斯洛普的“全球鹰”相当,定位也相似,属于ISR平台,察打一体并不是重点。

彩虹-7与X-47B相比,长度更短,翼展更大,发动机推力更大,但最大起飞重量反而更小,速度也更低,这很奇怪。100kN级的推力对于彩虹-7来说似无必要。翼展增加接近一倍、留空时间和航程大大增加的RQ-180采用一台罗尔斯-罗伊斯AE3007涡扇就够了,推力更是“只有”42kN级。有可能媒体引述有误,彩虹-7实际上只有一台50kN级涡扇,而不是两台,那就比较合理了。从现有的图片上看,彩虹-7的进气口和尾喷口也不像双发的样子。中国也没有已知的单台非加力推力达到100kN级的军用涡扇发动机,巡航速度只有M0.5-0.6的彩虹-7使用加力涡扇则是毫无道理的。

彩虹-7的航电配备情况不明,据说有意安装机翼前缘雷达和机腹光电系统,加上自带的武器,这就可以构成一个完整的察打一体系统了。但彩虹-7的速度太低,除了适合在目标区徘徊待机,作为远程攻击平台并不优秀。空中打击还是有时效要求的,M0.9+的高亚音速是必须的,再低速度的话,远程赶赴战场的时间太长,有可能失去战机。超音速当然更快,但代价也太大。X-47B正好是M0.9+,这不是巧合。

为了考虑舰上起降的需要,X-47B的翼展比较小,机身比较长

彩虹7这个尺寸和翼展,基本就不可能登上航母甲板了

但跳出察打一体的定式思维,彩虹-7其实是大有可为的。航母是中国海军走出第一岛链的关键,但中国航母离配备齐全的预警机、反潜机和加油机还有距离。预警机对航母舰队的作用不言而喻,现在用直-18预警机是不得已的,在离舰距离、转移速度、工作高度、留空时间等关键方面都不理想,即使搭载最先进雷达,也因为平台的天然局限而难以发挥最大功效。由于中国航母(至少是第一、二艘)采用滑跃起飞,歼-15难以在满油、满载情况下安全起飞,应该满载减油起飞,以保存最大的战斗力,但一升空就空中加油,延长航程和留空时间。即使以后采用弹射起飞,只要弹药足够,在目标区加倍留空时间可以等效于有双倍的舰载战斗机可用,战术价值不言而喻。反潜机是中国航母的另一个短板,现有直-18也只能说是过渡。

研发专用的舰载预警机、加油机、反潜机是长远之计,在近期用岸基长航时平台补充未必不是行之有效的办法,彩虹-7这样的平台就有用武之地了。当然,现有的彩虹-7或许还需要加大才能满足这样的要求,重要的是,彩虹-7的隐身性能是这样的远洋非武装高空平台的生存力关键,常规的由民航客机改装而来的预警机、加油机、反潜机在远洋、高对抗、无护航环境里很难保证生存力。

彩虹-7据说正面雷达反射面积在0.01平方米水平,这可能是有意的低调,也可能是外销的“光版”的隐身水平。在“天资优秀”的无尾飞翼基础上,加上适当的隐身涂层和进气口、尾喷口处理,彩虹-7没有理由达不到F-22、歼-20的0.0001平方米的水平,如果不是成数量级地进一步降低的话。

彩虹-7还有为更多、更大的无尾飞翼平台开路的作用。无尾飞翼在很多方面与传统飞机有显著不同。除了前述升阻比、翼载、机体结构等,无尾飞翼的飞控是很大的挑战。相对于翼展而言,无尾飞翼的长度很短,使得尾翼(或者后缘控制面)的控制力矩很短,只能增加后缘控制面面积来补偿。B-2的后缘设计本来像彩虹-7一样简洁,但为了增加尽量靠后的控制面,而把机体中线的V形尾端改成W形。由于没有垂尾,也必须用两侧扰流片不同开度造成的不对称阻力来控制偏航。这不仅导致不必要的阻力,而且影响隐身,在长远应该用矢推解决。

飞控挑战反过来影响气动设计。传统飞机的机翼后掠角由速度决定,低速可用平直翼,高亚音速只需要中等后掠角,超音速可能以大后掠角为好。但后掠角导致升力中心随速度上升而后移,无尾飞翼的气动控制力矩短的缺点使得有效配平和阵风补偿不容易保证。翼展很大时,后掠角可能导致翼尖后缘大大超过机体中线尾端,造成飞控问题。这可能反过来限制后掠角,进而影响飞行速度。彩虹-7的巡航速度较低,可能与较浅的后掠角不无关系。X-47B机翼内段后掠角较大,外段较小,在速度和配平之间折中,回避了这个问题。RQ-180则类似彩虹-7,采用大翼展、小后掠的机翼平面形状。洛克希德“暗星”索性使用大展弦比平直翼,简化了飞控问题,同时极大地限制了速度。

诺斯罗普·格鲁曼提出的“折线风筝”构型

翼展、后掠角、飞控的互动是有尾飞机设计中不需要太多顾虑的挑战。由于翼身一体,展弦比、根梢比等也不仅是机翼的气动问题,更是机体的结构问题。翼身融合体在结构上便于设计和制造,尺度越大,优点越明显;但纯飞翼在结构上更加紧凑、轻巧。这些有别于常规飞机设计的挑战都需要在实践中理清。

中国已经研发了一些小型的无尾飞翼无人机,这些都是宝贵的经验。但工程研发需要在逐级放大中逐步揭示和解决尺度带来的问题。简化的理论计算方法经常假定均匀性质,但大尺度的实际问题必须考虑各种分布。这就像煲汤一样,小罐煲汤只要控制火候;大罐煲汤不仅要控制火候,还要注意搅拌;巨罐煲汤不仅搅拌是个学问,升温速度也可能比火候的挑战更大,局部热点、冷点不仅影响味道,严重的话可以彻底毁了一锅汤。道理是一样的。

彩虹公司属于航天科技集团11院,气动是他们的本行。但工程实践是干出来的,不必通过中航系统就有实践的机会,这对11院是十分重要的。大量的实践是中国航空科技走进自由王国的正道。

媒体还报道,彩虹-7有意涉足舰载应用。无尾飞翼上舰既有优势,也有劣势。无尾飞翼的高升阻比对航程永远不足的舰载应用是雪中送炭,低翼载则降低进近速度。但凡事都有个度,过了这个度就适得其反。过低的翼载在最近进近的时候老是飘啊飘,就是不肯踏实降下来,也是一个麻烦。低翼载也对阵风很敏感,B-2在着陆的时候,襟翼的动作频率和幅度大大超过同等重量的轰炸机、客机或者运输机,就是在对并不算大的地面风不断补偿。

无尾飞翼超宽的翼展则是对舰上使用不利的。停放的时候还可以翼尖折叠起来,减少占地,但起飞、着陆的时候就特别占地方了。舰载机的翼展一般较小,F-18E只有13.6米,F-14在最小后掠的时候为19.6米,E-2“鹰眼”的翼展为24.6米,彩虹-7也达22米。但彩虹-7的最大起飞重量只有这里面“最轻巧”的E-2的一半。换句话说,功能更加强大的重型无尾飞翼(比如说最大起飞重量超过30吨)的翼展可能大而无当,造成航母上的运作不便,甚至无法起飞、着陆。这样看来,X-47B作为无尾飞翼相对较小的翼展不是没有原因的,速度更快,但航程也较短。

对于彩虹乃至中国航空业界来说,各种无尾飞翼不是重复建设,而是在不同角度、不同层次的实干中摸索经验,为更多的成功应用铺路,比如隐轰、大型无人机甚至隐身加油机、预警机、战略侦察机等。

陆基大型特种平台的隐身化目前已经引起了很大的关注,未来战场上,不隐身的飞机将越来越难生存

波音MQ-25是在特种平台隐身化方面的第一个尝试

另一方面,彩虹-7不仅需要外慧,更需要内秀。对于中国来说,大型无尾飞翼的气动和一般飞控已经没有解决不了的问题了,但高度自主的任务决策系统还是挑战。这对全世界都是挑战。

美国在反恐战争中大量使用“捕食者”等无人机,很是成功。更高端的“全球鹰”、RQ-170“哨兵”、RQ-180等也很抓眼球。但这些无人机在任务层面都是遥控的,在涉及确认目标和发射武器时,还是“人在回路中”而不是自主的,尽管一般的起飞、着陆、编队、按预定航线巡航这些任务要高度自动化已经不难做到了。

但反恐战争的经验在高烈度战争中不大管用。有可能被打下来只是威胁的一部分,更要命的是电磁环境,不仅有带宽不够用和遥控滞后误事的问题,在强烈的电磁对抗环境下,可能根本无法执行任务。另外,有人-无人空中组队作战是很吸引人的思路,但即使有双座战斗机的后座指挥无人僚机,依然只能下达指挥意图,而不是事无巨细的手把手控制。所以无人作战飞机的技术关键已经从基本的气动和飞控转移到任务控制。

彩虹系列在中东市场取得很大的成功,但这与反恐的设定相似,基本上是单向对抗。彩虹-7是更高层次的作战平台,要面向高烈度环境,不能套用老经验,不能满足于放大和无尾飞翼化的彩虹-5,也不能坐等“有关方面”的自主任务控制技术完善起来后采纳。作为业界先驱,彩虹公司有必要扩大根据地,不光要吃螃蟹,要自创菜系,彩虹-7是理想的契机。

航天科技11院在空气动力学方面有着深厚的基础,今年引起很大关注度“星空2号”高超音速飞行器也是该院的产品

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晨枫

晨枫

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