隐身飞翼的设计其实非常拧巴

晨枫

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/ U3 X! ^2 m6 @  U' m9 j无尾飞翼是最理想的隐身外形，这是常识。在一般认知里，无尾飞翼也就是B-2、B-21那样的外形，现实也差不多。但隐身飞翼的设计其实非常拧巴。

距离是隐身最大的战友，所以高空飞行是无尾飞翼最舒适的地方。如果敌人雷达的最大探测距离不超过20公里，而隐身飞翼在2万米以上的高空巡航，在理论上就是不可探测的。实际上，当然有雷达入射角度的因素，从正下方一般来说是雷达反射最强的角度。不过真要到这时才能发现，那黄花菜都凉了。即使对方只是侦察机，捕捉窗口也很小。

特别高的高空还对敌人的防空带来很大的困难。高空防空导弹射高动辄达到25000米级，但在这样的高空，实际上已经是大体弹道飞行了，空气动力舵面基本失效。在25000米高空，空气密度只有海平面的1/40，气动控制需要特殊考虑。但防空导弹的气动要求是从海平面开始的，没法一直兼顾到25000米的高空。
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燃气舵也不行，那只有在发动机还在燃烧工作的时候才有用。到了高空接近交战的时候，发动机早就停止工作了。

7 _9 P4 O9 ?1 ?$ q: u在这样的高空，其实需要直接侧推控制，但这还是领先技术，已知只有“爱国者”PAC-3、红旗-9C、S400/500等少数防空导弹使用侧推发动机，“萨德”、SM3、红旗-19也用，但是大气层外的反导弹，不用来打飞机。
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侧推发动机也不是完美答案。以PAC-3为例，有一圈共180个固体火箭侧推发动机，都是短促一次性点火（实际上就是微爆炸）使用的，推力不可调节，弹控系统通过点火数量和时序来控制精确的姿态改变量，主要用于末端交汇控制，不适用于中段飞行控制。也就是说，这用于基本按照固定弹道飞行轨迹的目标是适用的，侧推用于补偿制导误差或者目标本身的有限机动。
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但这也决定了不适用于相对高机动的目标。比如说，PAC-3（只有改进为双脉冲的MSE才能达到25000米，基本的CRI只能达到15000米）从发射到击中40公里斜距（30公里水平距离）目标需要至少30秒时间。在这段时间里，目标用机动就可以摆脱以逆弹道为基础的导弹攻击，导弹既没有那么大的机动能力在中段跟上，在末端则超出侧推的有效范围。


PAC-3 MSE
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. j; h4 p1 y9 Y5 m2 ^3 }: y/ m另一方面，“萨德”和SM3拦截弹用的是可调推力、可反复点火的液体火箭侧推发动机，所以这东西死贵，1300万美元一枚。SM3便宜一点，1200万美元。这两种弹都有一圈6个姿态控制侧推发动机，用于改变导弹的指向，还有一圈4个侧移发动机，用于相对于导弹轴线的直接的上下左右的平移。

但液体火箭依然要省着点用，不能像常规的气动舵那么不停地工作。运载火箭助推器的连续工作时间也不过2分钟，那是多大个儿啊。这也决定了只有在大气层外比较有效。目标运动很规则，也没有空气扰动的因素。

4 i, H# k. |# j1 S9 V6 f5 c所以，在导弹气动控制基本失效、侧推控制只有“临门一脚”作用的25000米，只要目标对导弹发射开始有效反应，就很难击中。隐身飞翼速度慢，换成高超音速导弹，就更加无解了，但这是困难无穷大和高阶无穷大的差别，难打就是难打。
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) q: p, H1 I9 P' q4 G高空侦察机还有视野大的天然优点，对大斜距侦察十分便利。高空加大斜距，接近侧面的“暴露面”，那就差不多是隐蔽侦察的黄金配方了。

/ p$ W! B; n8 @+ |+ H飞翼因为“只有机翼、没有机体”，天然具有升阻比高、适合高空飞行的特点。

那不是瞌睡送枕头吗，有什么好拧巴的？因为后掠角和翼展。

大翼展、大展弦比是高升阻比、大航程的刚需。滑翔机具有最大的升阻比，就是因为特大翼展和超高展弦比。U-2可算是第一种HALE（高空长航时）侦察机，基本上就是有动力的滑翔机，发动机开一段，爬升到最大高度，然后滑翔一段，降低一点高度，然后发动机再开一段……

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U-2的气动外形和滑翔机相似，不是偶然的
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在隐身时代，RQ-3曾经用来代替U-2
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9 M' i* N- g. z; `; @进入隐身时代后，洛克希德设计了RQ-3，超大翼展和超高展弦比与U-2如出一辙，但机体短小得多。RQ-3的稳定性受到俯仰力矩不足的严重影响，最后下马了。另一个大问题大翼展平直翼在关键的前向和后向形成很强的雷达回波。RQ-3主要还是因为严重的俯仰控制力矩不足问题而下马了。但是要解决隐身问题，需要把平直翼改成后掠翼，极大降低关键的前向和后向雷达反射特征。机翼后掠，在后掠角的垂直方向还是有雷达反射特征问题，但那是“一闪而过”的，而且随着后掠角的增大而问题越来越小。

# o- V/ t; x/ G" U在F-117设计的初期，气动外形主要由隐身要求决定，气动方面只要能飞能控就行。最后设计出一个前半尖锐、后半相对短钝的样子，但气动性能极其糟糕，被讥嘲为hopeless diamond。最后的气动外形大体保留了尖锐的前半，后半则全变了。
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最初的Hopeless Diamond


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7 @) _4 L! C; @; u1 o但F-117机翼很大的后掠角纯粹是出于隐身考虑，而与气动要求无关。这东西都达不到超音速。在飞行状态下，只有飞-111和米格-23在最大后掠时可以达到这个后掠角，F-14只能达到68度，“协和”式的S形前缘有部分段达到甚至超过这个后掠角，但那不能算，此外只有少数研究机有这样的壮举了。

1 V1 A, p. N5 C+ W6 u6 {+ J4 A6 R! y但RQ-3要是把机翼后掠，哪怕没有72度这样的极端，也没法做到气动平衡。升力中心将远远超过中央体的后端，根本没法俯仰控制。在理论上可以把两侧机翼尾端改成升降控制面，用于配平。在实用上，这将带来很大的阻力和重量代价，多此一举了。
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: l" w2 t8 H# f- _; f  m, |  Z到隐身飞翼时代，不再使用Hopless Diamond那样硬朗的直线条组合，但基本道理没变：中央体的后端决定了后掠翼翼尖的后端，一般来说，两侧翼尖和中央体的后端大体在一直线上。


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7 \# q8 ~" a) w) V: ]另一方面，各种翼尖大大超过中央体后端的想象图只能是想象，难以成为现实。
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, q" f) d# _" f! \# NRQ-180的想象图之一

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实际被拍到的飞机没有那么夸张

实际上，翼尖可以稍稍“落后”与中央体后端一点，但不能太远。这是因为飞翼的“机翼”从中央体前端开始，机翼内段与中央体一起，产生靠前的升力，容许甚至需要机翼外段延伸一点，以达到气动平衡。
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7 E" ^% W, P7 y$ e. \" @很多年来，如何进一步加大翼展，突破“翼尖不得超过中央体后端太多”的限制，提高高空升阻比，是一个很大的挑战。

X-47B一马当先，采用新颖的“折角翼”，也就是说，前缘不再是直线的，而是有很大的折角，所以也可称为“两段式后掠翼”。

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4 F2 u: ]3 `0 K  f) ~) v5 cX-47B
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  M4 k$ Q8 k/ p& g显而易见，大幅度降低外段后掠角避免了翼尖超过中央体后端的问题。事实上，X-47B可以看做Hopeless Diamond和隐身飞翼的融合，这种布局称为cranked kite，其实也不大有风筝是这个样子的。

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" ?# {* d/ V& S- N# N本来，Hopeless Diamond的优点就不只是隐身，中线长度较大，便于发动机、进气道和武器舱的设计，但气动太糟糕。飞翼的问题则是中线太短，而且后掠角和翼展受到气动平衡的限制。
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两者融合不仅结合两者的优点，也带来新的缺点。隐身设计原则之一是尽量减少形成最大回波的角度，最低可以减少到4个角度。由于前缘的光学反射和后缘的爬行波反射都形成回波，前后缘最好是平行的，左右前后都需要对称，但能做到四回波。左右对称一般没有问题，前后对称做不到的话，后缘折线与前缘某一段对齐也算退而求其次。
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B-21的“理想隐身外形”就是这么来的。B-2最初就是这个样子，但因为半道上增加了低空突防的要求，而在中央体后一半的两侧增加了额外的部分，用于提供额外的俯仰控制力矩。B-21取消低空突防要求，“回到初衷”。
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, z1 y. e; M, T从这个意义上来说，Hopeless Diamond实际上是“八回波”，因为前后缘不对称，在隐身方面并非最优。因此，X-47B也是“八回波”，因为机翼与中央体的后缘是对齐的。
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换句话说，cranked kite解决了气动平衡问题，还增加了弹舱长度，但代价是隐身。这与X-47B为舰载攻击机探路的定位是符合的。如果别人要设计大型隐身攻击机/轰炸机，要么像B-2、B-21那么大，最终也能提供足够的弹舱长度和深度，要么用X-47B那样的cranked kite，不那么大也能获得足够长度和深度的弹舱。

8 a$ h9 p' {3 h+ C7 C较低后掠角的外段也有利于提高升阻比，这是由平直翼vs后掠翼的升阻比差别决定的。升阻比“含金量”较高的小后掠翼也决定了只要较短的翼展和较低的重量就可以提供同等升力，这也是有利的。隐身损失则是“必要的代价”。
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但要是高度隐身是最大要求呢？那还是要回到无尾飞翼，还是要直面翼展问题。

中央体和机翼内段提供较为靠前的升力，使得外段得以延长、翼尖可以靠后。中央体是翼身融合体，本身提供升力。增大中央体可以强化靠前升力的产生，但那要增大重量、湿面积和摩擦阻力。加大内段翼面积也增加内段提供的升力，但要注意边缘对齐，那就只有内外两段不同弦长的机翼了。
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8 X" f( Q' t# E内外两段不同弦长的机翼并非前所未见，民航客机机翼的后缘常常在内段比较平直，不仅改善翼根受力，也使得升力产生相对向中线集中，减少阵风和气流扰动对两侧的不对称升力影响。
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波音707
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0 Z  X4 H7 V- O但这对隐身飞机是不可接受的。只有用两段平直但不同弦长的机翼接起来。

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9 ]  ~; U# c' B( M9 ^外媒对某种高空长航时无人侦察机的猜测
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显然，内段的“折角”顶端与中央体后端大体在一直线上，但外段的翼尖大大超过中央体后端，达到无尾飞翼的既后掠、大翼展又保持气动平衡的要求。必须说，这是比B-21、X-47B更加精妙的设计。
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% A# K. w' A/ O  L这也是更加适合缩放尺寸的“通用”设计，既可以适用于较小的侦察机，也可以适用于巨无霸的轰炸机。适当改变后掠角（以及相对应的后缘前掠角），还可以为不同的速度和隐身要求优化。
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当然，恶魔永远在细节之中。内段和外段要是用同样的翼型的话，内段厚度比外段更大，这本身没有问题，甚至增加翼内油箱的容量，但对衔接处的过渡是一个挑战。同样厚度、不同翼型的话，内段的相对厚度较小，外段增大，气动特性和结构弹性特性就复杂了。
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缺点是大翼展不适合上舰，上舰可能还是cranked kite更加适合，较小后掠的机翼外段也更加适合停放时的折叠。
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& z4 i6 x# V- b5 [! B; P0 z# }B-21和RQ-180出现的时候，人们以为无尾飞翼的发展到头了。谁知道“柳暗花明又一村”。