Green 版 (精华区)

发信人: zzpzheng (新的起点，新的自我), 信区: Green
标  题: 非常规飞行器
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年05月16日20:37:10 星期三), 站内信件

　　在下一个世纪里，现代航空技术的发展将使空中舞台发生令人瞠目结舌的变化，各
种外形奇特、性能先进的飞行器将突破现今飞行器的所有规则.它们的发展只受到经费上
的限制，而非技术性因素，可以说，“只有想不到的，没有做不到的”。本文介绍的都
是美国已经在进行的、或已列入研制计划的、甚至已在试飞中的几种非常规飞行器计划
和涉及的技术。
可持续飞行30小时以上的直升机和刚性旋翼技术
　　美国边疆系统公司根据美国国防部预研局（DARPA）的一项合同，已经研制了一种叫
A160的无人驾驶直升机，用来验证这种直升机可以持续飞行30小时以上（在有些情况下
甚至可以在48小时以上），使用升限为16760米，最大速度可达到140节（260千米/小时
）不加油航程可达3700～5500千米。
　　如果这些指标能得以验证，显然它们将远远超过现代直升机的飞行记录。
　　A160的外形仍是一种典型的直升机，有一个流线体的机身，机头下有一个传感器转
塔，尾部有尾桨，其奥秘之处是它采用了独特的大展弦比刚性旋翼。
　　传统上，旋翼的性能和结构都是依据针对性的一个设计点来设计的，因而它的使用
旋转转速被限制在一个很窄的范围内。
　　常规直升机的旋翼一方面要尽可能保持最大的转速，以减少前行桨叶和后行桨叶之
间的速度差，另一方面其设计转速又不能无限制增长，以保证直升机在巡航飞行时前行
桨叶叶尖的速度不要接近跨音速（一般维持在M 0.6左右，对小直升机的最大转速一般限
制在每分钟450～500转）。
　　这些特性不仅需要复杂的旋翼动力系统和操纵系统，还会引起难以克服的动态振动
和噪声，由于要消耗大量的功率，大大限制了直升机的留空时间、升限和航程。为了节
省重量，旋翼的桨叶不得不设计成柔性的。
　　据边疆系统公司设计人员介绍，A160刚性旋翼可以将旋翼转速范围从最大使用转速
下降40%，即每分钟150转左右，桨叶的桨尖速度可以低于M0.25。
　　A160的刚性桨叶是由粗到细，即从根部到梢部的厚度/ 弦长比是逐渐变小的，从而
改善了升阻比。为了解决振动问题，桨叶设计成又轻又刚性，叶片从根部到梢部的挥舞
刚度、迟滞刚度和扭转刚度都渐近地被减小，因而叶梢比叶根柔软。A160的桨叶不用铰
接，在同样的最大升力状态下比常规直升机有更大的直径和更低的桨盘载荷，从而大大
改善了直升机的空气动力效率，特别是在低速、低重量的状态下。A160的独特的旋翼系
统现在正在进行地面试验。 A160的优异性能还得益于采用了高燃油效率的发动机，它是
由前沿系统公司研制的一种300千瓦活塞式发动机。
直升机－固定翼复合式飞机
　　波音公司也在美国国防部预研局的合同下研制一种无人驾驶的“鸭式旋翼-机翼”飞
行器（CRW），用于拓展垂直起飞飞行器的性能包线。预计该机明年年初就可开始飞行试
验。
　　CRW是三种飞行模式的组合：1.叶尖喷气旋翼直升机；2.旋翼在飞行中被固定的直升
机（类似X-机翼）；3.三翼面固定机翼飞机。
　　这种CRW验证机重量约1100千克，动力为一台低涵道比的威廉姆斯国际公司的F112发
动机（类似装在AGM-129先进巡航导弹上的动力）。
　　CRW在起飞时，发动机的排气流通过管道从旋翼桨叶的梢部喷出，旋翼将绕着万向接
头桨毂旋转，叶片上设有常规的周期、变距和桨距控制，没有反扭矩尾桨，旋翼的扭矩
和飞机旋转方向由后机身的一些小推力喷管控制。
　　起飞后，CRW像常规直升机一样边垂直升空边被加速到110千米/小时，然后开始向固
定翼飞机飞行模式过渡，发动机排气流逐渐被引向常规的尾喷管，飞机的速度也从110千
米/小时逐渐增加到220千米/小时。这时前翼和尾翼的舵面同时下偏以提供升力，而旋翼
将逐渐“卸载”，万向桨毂也通过阻尼器逐渐停止旋转。到飞机的速度达到220千米/小
时，旋翼完全被卸载，桨毂和桨距铰完全被锁定。此时的旋翼变成了一个正常的固定机
翼，承担了飞机飞行所需的大部分升力。前翼和尾翼的舵面也回到正常位置。
　　CRW和以前研制的X-机翼相比，其最大优点是，它是一种简单的直升机（没有尾桨）
和简单的固定机翼飞机的组合，而且过渡飞行十分方便，纯旋翼本身又是纯机翼，全部
推力由常规涡扇发动机提供。
　　据波音公司介绍，CRW目前的尺寸和性能可以使这种无人飞行器的重量设计在2～2.
5吨，其平飞速度可以接近高亚音速水平。但该公司认为它完全可以演进成更大吨位的飞
行器，并正在考虑将其设计成一种11吨级的武装攻击飞机和一些运输机。
“安静”的超音速飞机和等离子流减噪声技术
　　对于固定翼飞机的发展，目前的一个最有挑战性的计划是美国国防部预研局正在研
制的“安静超音速平台”（QSP），也就是一种对地面不会产生音爆干扰的超音速巡航飞
机。
　　安静超音速军用飞机将有很大的应用潜力。在美国空军的“远征航空航天军”（EA
F）的作战教义中指出，一种远程的超音速飞机要首先突防和到达作战威胁区，并将其侦
察的图像传送回司令部，在紧急时期，超音速飞机将被要求完成快速反应的空中侦察任
务和对地攻击任务，支援美国空军不断更新的全球远程攻击。而这些都需要超音速飞机
能“安静”地接近任务区。
　　安静超音速军用飞机还可进行 快速的人员和设备的运送，美国国防部计划在超音速
公务机研制成功后再研制一种100座级的运输机。
　　自1999年早期，NASA决定大型超音速飞机的计划下马以后，洛克希德·马丁和湾流
公司希望NASA能够支持他们的超音速公务机计划，但被NASA拒绝，认为这将是一个“奢
侈”的飞机。但国会却给予了支持，拨款1500万～2000万美元，要求这两个公司发展一
种能军民两用的超音速公务机。其中军用部分就由国防部预研局领导。
　　今年3月，国防部预研局正式发出“信息要求书”（RFI），希望通过一些新奇的、
革命性的设计来达到性能要求，因为他们认为仅仅增加些新技术的应用，或者综合当前
的一些先进技术都难以满足这种飞机的要求。
　　目前，洛克希德·马丁公司与湾流公司合作推出了一个超音速公务机方案，该方案
机长为35米，大后掠、尖前缘的三角箭形机翼的翼展为17米。该机的关键设计是它的长
长的前机身和尖尖的锥形机头。机身的后部除了有一个梯形垂尾外，左右各有一平尾搭
接在垂尾端部和机翼上，形成一个倒V字尾部。据设计人员称，这些都是低音爆设计技术
。
　　洛克希德·马丁公司设计人员说，他们设计的目的不是消除音爆——这几乎是不可
能的，而是设法使它“听不见”。
　　洛克希德·马丁公司设计方案利用细长的尖锐的锥型机头使超音速气流在机头产生
一个前压力尖锋。这个尖锋可以提高当地气流的温度和声音速度，从而“延长”其前激
波、减缓激波后的压力的升高，也就减弱了音爆。
　　方案还通过大后掠箭形机翼把机翼的升力沿着长度方向扩散，减弱气流在激波后的
超压，从而进一步减弱音爆。
　　设计人员的目的想把音爆强度减至每平方米2.2千克以下，这样超音速飞机就完全有
可能在大陆上空以超音速飞行而不会对地面造成音爆危害。
　　至于倒V字的尾面，一方面它可以产生一些附加升力，另一方面在以超音速飞行时可
能会与机翼产生一些有利干扰。
　　美国国防部预研局认为，机体设计只是减小音爆的一个方面，希望还能找到其他更
直接的方法。目前他们对俄罗斯研究人员提出的等离子流方法极感兴趣，因为俄罗斯研
究人员在70年代已经指出，用等离子流不仅可以减小飞机在飞行中的阻力，还可以大大
减小机头激波的的强度。
　　美国空军研究试验室正在资助一系列试验，希望能再现和验证俄罗斯人的结论。尽
管对许多美国研究人员来说，他们至今也没有搞明白这种方法的机理，并存有许多疑问
。例如，他们并不同意可以通过加等离子流的加热效应减少激波，或者通过等离子流改
变气体分子结构减弱激波等观点。
　　现在美国和俄罗斯研究人员正在用不同的等离子发生器（还包括一些惰性气体注射
方法）进行试验，以能产生稳定的类似气流的等离子流。
　　减小超音速飞机的阻力的另一个研究方向是“超音速层流控制”技术。虽然在90年
代，NASA曾在一架F-16XL试验研究飞机上进行了专门的层流控制飞行试验，但所采用的
是通过吸除附面层的机械方法实现层流控制的。美国国防部预研局则希望寻找出一种能
保持层流流动的机翼外形，而不用吸气的方法，因为后者会带来复杂的结构和困难的维
修。
X-44A“无尾”飞机和“射流”矢量喷管技术
　　固定翼飞机的另一个发展方向是研制一种综合飞控、一体化推力和隐身的先进作战
飞机。
　　到2007年，美国空军和NASA有可能试飞一种既没有垂尾、又没有常规飞机的空气动
力操纵面的试验飞机。飞机的飞行将完全由推力矢量来控制。这种飞机的发动机排气喷
口最终将被设计成固定的，并被巧妙地嵌入在飞机的蒙皮内，飞机方向将用一系列“喷
流”来控制。
　　取消了空气动力操纵面可大大节省飞机重量、减小阻力和飞机结构与系统的复杂性
，没有了垂尾、没有各种操纵面的间隙和可动部件，对于隐身还特别有利。问题是，像
F-22现在采用的推力矢量喷管的重量、结构复杂性和使用成本还是太高了。
　　现在一些发动机制造商，如GE公司、艾利逊先进发展公司正在“一体化高性能涡轮
发动机技术”（IHPTET）计划下，研制一种称之为“射流”技术来改变有效喷管面积和
推力矢量的方向。而实际发动机喷管的形状仍然保持不变。
　　如果这项技术得以成功，对发动机设计和使用将产生重要影响，因为它相当于取消
了一般推力矢量喷管的要承受高温、高载荷的可动部件和它们带来的复杂的结构和维修
问题。由于这种设计把热喷管结构综合到冷飞机机体结构中，从而减小了重量。又由于
喷管的外形可以完全融合在飞机的外形中，大大改善了隐身特性，而内部形状完全可以
通过最佳空气动力和热力学来设计。
　　“射流”喷管是把从压缩机内引出的高压空气经管道引入到设置在喉道附近的几个
喷射器中（或称喷头），它们各自由阀门来控制开闭。
　　根据NASA目前给出的结果看，这些射流式的推力矢量可以通过把喷头设置在发动机
喷管的扩散段内来获得。当高压空气从喷头从喷管的一侧喷出后，会激发一个斜激波，
使喷气流偏离，与喷气点形成一个偏折角。NASA的试验显示，喷气流的矢量角可以通过
改变喷头的流量进行控制，最大可以偏折15°左右。
　　美国空军研究试验指出，射流喷管技术还加快了空气混合、减少了尾喷管火焰的峰
值温度，从而减少其红外特征。
　　现在，美国空军研究试验室、 NASA、洛克希德·马丁和普惠公司正在联手研制一个
全新的推力矢量试验飞机X-44A。它是基于F-22的机体、发动机和系统的基础上研制的，
其目的是要把“推力矢量技术”从“用了它更好”的领域进入到“必须用它”的领域。

　　X-44A将是一种“多轴向无垂尾”的飞机，因此必须用推力矢量技术来控制飞机。X
-44A不仅没有垂尾，而且将取消所有可动的空气动力操纵面，因而它将是一种结构简单
、重量很轻、燃油容量较大而隐身性能突出的飞机。X-44A将是一种组合“射流”矢量喷
管技术和静噪声超音速飞行技术的高性能飞机。
　　目前X-44A所涉及的技术将通过F-22的试飞计划逐步开展。
“联翼”飞机、“盒式机翼”飞机和“飞翼”
　　未来的战略运输机（包括加油机）也将发生重大的改革。目前最有前途的是波音公
司“鬼怪”工程队正在研制的“联翼”飞机和洛克希德·马丁公司“臭鼬”工程队正在
研制的“盒式机翼”飞机。
　　波音的“联翼”式飞机将四个形状基本相同的机翼两端相接组成一个菱形平面形状
的飞机外形，机身在中间，发动机和燃油箱也在机身内。飞机的主要操纵面在后面两个
机翼的后缘，左右两端各设有扰流片式的副翼，美国空军研究试验室认为这种飞机非常
适合作为情报－观察－侦察平台，因为它可以在前机翼的前缘和后机翼的后缘上设置大
量的电子扫描天线阵，每个机翼上的天线阵覆盖四分之一象限。
　　整个飞机相当于一个被动或主动传感器，或作为一数据传送的大天线，因而美国空
军研究试验室称其为“传感器飞机”。这种飞机还可装光－电传感器，包括远程红外搜
索和跟踪系统和三维激光图像系统。 NASA和美国空军准备将一架S-3改装成一个联翼式
飞机。
　　洛克希德·马丁公司的“盒式机翼”飞机与波音的“联翼”飞机相比，虽然也是将
前后机翼联成一体，但很重要的不同是它的前机翼和后机翼各用一块端板联接在一起。
这种布局的好处是可以减少前后机翼直接联接可能会带来的不利干扰，另外当这种飞机
用作加油机时，端板可以为外加油管提供一个很理想的支撑杆。公司认为用它来替代KC
-135，可以用较少数量的飞机完成相同的空中加油任务。
　　大型飞机另一个最有希望的布局为机翼机身融合为一体的“飞翼”布局。
　　民用“飞翼”和B-2隐身轰炸机的设计有很大不同，因为民用飞机不用特别考虑“隐
身”特性，所以机翼和机身的融合可以更多地顾及空气动力特性。它的机翼上也可设置
常规的增升装置，允许用更高的翼载飞行。
　　它特别还可以采用涵道比高达20的高涵道比发动机，其功率相当于目前6～8台现代
发动机。这种高性能发动机不太适用于常规布局的民用飞机上，因为它们的短舱阻力、
常常的挂架和增强的起落架会大大削减发动机大功率带来的好处。但在“飞翼”民用机
的布局中，两台（或三台）高涵道比发动机可以被放在机翼后缘的中央段上。
　　对于“飞翼”民用机的最大挑战是它的非圆柱形机体的结构。它必须采用大型的、
轻重量的复合材料结构。此外，高涵道比发动机由于其核心机较小，没有足够的余气用
于座舱的增压，所以还必须增设辅助电力系统。
　　波音和NASA现在正在制造一个14%缩比的“飞翼”民用机，采用3台威廉姆斯公司的
WR24发动机，准备于2002年进行飞行试验，用以探索这种布局的低速稳定性，可控制性
和操纵特性。
　　洛克希德·马丁公司也在加紧它的“盒式”布局民用飞机的研制工作，这种布局的
技术挑战性要比“飞翼”小一些，对于现有机场和地面设施的兼容性也要好得多。

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                            阿拉丁

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