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YF-23A是第一个V形尾翼设计的未来战机(图)

http://jczs.sina.com.cn 2006年06月02日 07:40 《国际展望》杂志
YF-23A是第一个V形尾翼设计的未来战机(图)

    
  1990年6月22日,YF-23A原型机PAV-1“灰色幽灵”在爱德华兹空军基地进行公开展示,立刻以其前卫的气动外形吸引了众多目光。

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  尾翼 V形尾翼设计并非诺斯罗普首创。1956年法国C.M.175教练机就采用了V形尾翼。洛克希德的F一117A也是如此(不过比较特殊,只提供方向控制)。但在强调机动性的未来战机上采用V形尾翼设计,YF-23A是第一个。

  YF一23A的v形尾翼设计相当独特。为了保证4波瓣雷达反射特性,平尾前后缘在水平面内的投影分别和机翼前后缘平行。这使得该机尾翼看起来相当巨大。考虑到大部分雷达反射
发生在与水平面成±30度的范围内,YF一23A采用了将尾翼外倾40度的设计,以确保雷达波不会被反射回接收机,但相应的尾翼效率也降低了。相比之下,YF一22A采用91、倾27度的设计,处F隐身设计的边缘,属于隐身和机动综合权衡的结果。按照公开的说法,YF一23A出于大迎角机动性的要求,其尾翼采用宽间距布置,完全避开了边条和机翼内侧涡流,因此改善了剧烈机动状态下俯仰、滚转和偏航控制。

  就隐身而言,YF-23A的尾翼设计显然是成功的,但其气动效率却不免令人担、心。偏航、俯仰、滚转,二轴控制全部包揽。一物多用固然好,但重要却往往被人忽略的一点是:尾翼的总控制能力是有限的,某个轴占用较多的控制能力,必然会削弱其它轴的控制能力。当飞机陷于比较复杂的状态时,YF-23A的尾翼未必能兼顾。看看后来F一22的过失速试飞情况就知道了,操纵面的控制负荷是相当重的,而且还要加上推力矢量控制才行。当然,换个角度想,可能诺斯罗普压根儿就没有考虑超火迎角飞行的控制问题。能够保证大迎角范围内不出现气动发散的情况(诺斯罗普称,风洞数据显示YF-23A可以在所有迎角范围内稳定飞行,但YF一23A的试飞迎角最终也没有超过25度),是诺斯罗普在这方面所作的极限了。毕竟机动性并小是YF-23A的第一优先目标,过失速机动性就更不用说了。

  飞控系统和推力矢量控制 随控布局经过长期验证在ATF设计阶段已经相当成熟。YF一23A应用随控布局技术、为此采用电传飞控系统并不令人意外。不过由于最终竞争失败,外界对该机的飞控系统细节了解极少。 前面已经提到,YF一23A在设计上具有鲜明的“一物多用”的特色。由于减少了操纵面和相应的控制机构,有助于飞机减轻重量和减小阻力,对于改善飞机隐身特性也是相当有利的。但除了操纵面负荷问题外,这种设计必然面临的一个考验就是飞控系统的复杂化。固然,在已经成功的B一2上也可以见到类似的设计,不过必须看到的是,对于不需要进行复杂机动的轰炸机而占,这种一物多用的设计问题不大;然而战斗机即使在常规条件下的机动,其操纵面的偏转控制也是相当复杂的,一物多用的设计必然会加大飞控系统的复杂程度和研制风险。如果还要考虑超常规飞行的话,飞控系统的设计难度可想而知。飞控软件的编制是飞控系统设计难点之一。自电传飞控系统实用化以来,大多数一流战机都在这上面栽过跟头。1992年4月25日,YF一22A因为飞控软件问题造成“飞行员诱发振荡”,撞地损毁。后来F一22试飞阶段还不断对飞控软件进行改进升级。连基本按照常规设计的YF一22A飞控系统都有这么多麻烦,非常规设计的YF一23A飞控系统就更难说。在对设计风险的判断上,美国空军还是比较准确的。

  如果YF一23A采用了推力矢量控制系统,一物多用带来的控制面负荷问题町能会得到缓解,对改善机动性和敏捷性也有好处。但诺斯罗普最终放弃了推力矢量,以确保其首要目标——隐身能力。因为如要应用推力矢量控制技术,就必须更改后机身设计,不仅增大了飞机重量,也导致飞机雷达反射截面积(主要是后向)增大和红外隐身能力下降——因为必须取消那个沟槽式尾喷口设计。这并不符合诺斯罗普的设计思想。

  进/排气系统 进气道和

发动机一级压气机是喷气机前方雷达反射截面积的主要来源,设计稍有不慎即可导致为隐身所作的努力全数付诸东流。通常在中、高空飞行的飞机,如F-117、B-2,其主要威胁来自下方,因此可将进气道和喷管置于机体上表面,以机身遮挡主要雷达反射特征。但对于制空战斗机而言,这一威胁定律显然不适用。如果住所有方向上的威胁具有同等可能性,在这种情况下依据什么原则来设计飞机呢?并没有一个人人满意的答案。从YF一23A的设计来看,在没有适用的隐身规则的情况下,其进气道设计选择了遵循机动性和进气要求。

  发动机进气道是一个空腔结构,本身就是良好的雷达波反射体。而发动机一级压气机高速旋转的叶片不仅是强反射源,其反射波频谱甚至足以成为飞机型号的识别特征。要解决隐身问题,就必须首先解决这两个麻烦。解决途径之一是遮挡。F-111、幻影那种三元进气道,其激波锥可以在一定程度上遮蔽进气道内部和压气机的反射波,但问题是激波锥本身就是一个强雷达散射源。另一个也是更常采用的途径是S形进气道,并在进气道内敷设吸波材料。不过S形进气道并不是想象中那么简单,设计不当可能导致严重的总压损失。没有大量的验证,设计时少不了要吃苦头的。

  YF-23A的进气口位于机翼下方靠近前缘的位置,类似苏一27的设计,这显然是处于大迎角条件下进气要求的考虑。其横截面为梯形,除了垂直面上的斜切结构外,在水下面上也略有斜切,可以起到改善大迎角和侧滑条件下进气效率的作用。在进气口前方,设计有多孔式附面层吸除装置(机翼下表面未喷漆区域),并经机翼上表面排出一一由于进气口靠近机翼前缘,附面层厚度不大,因此不需要采用大型的附面层隔道,有助于减小雷达反射特征。在发动机舱卜表面还设计有辅助进气门(位于附面层排放狭缝旁边的带锯齿后缘的梯形板),用于在起降和低速状态下满足发动机的进气需要。根据隐身原则,进气道自进气口开始向内、向上弯曲,从正前方根本不可能看到压气机叶片,可获得较好隐身效果。此外,YF-23A采用了固定式进气道设计,以避免可调式进气道的调节斜板之间的缝隙和台阶产生的雷达反射。压缩斜板为二波系设计,并按照YF-23A的预计巡航速度作了优化。

  YF-23A的发动机喷口设计带有明显的B-2风格。沟槽状喷口位于V形尾翼之间扁平的“海狸尾巴”上,以耐热材料作为衬垫。喷口顶端铰接一块无边形调节板,用于调节喷口大小。在海狸尾巴、V形尾翼、沟槽侧壁的屏蔽下,来自燃烧室的热喷流在沟槽段与冷空气混合降温(二元矩形喷口使得喷流更容易与周围空气混合),然后再排出机外,红外特征较之常规战斗机明显降低。除了隐身作用外,笔者推测,YF-23A的喷口设计可能还具有引射增升的作用,V形尾翼则起到了类似端板、增强增升效应的作用。不过这一推测没有获得资料证实。

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