昂贵的未来-YF-23

2012-09-28 16:15  字号:T | T

  YF-23战斗机是由美国诺斯洛普与麦克唐纳 - 道格拉斯两家公司共同设计,竞标先进战术战斗机(ATF)合约的机型。美国空军于1991年4月23日宣布YF-22获选优胜。YF-23一共只有生产两架原型机,目前都已经不再飞行。

  历史

  1985年美国空军提出接替F-15的新一代战斗机设计需求案,由各家公司提出各自的纸上设计草案。1986年美国空军宣布将挑选最有潜力的两种设计在展示/验证(Demostration/Validation,Dem/Val)阶段进行为期48个月的原型机设计与试飞项目。同年7月,美国空军选出洛克希德与诺斯洛普两家进入下一阶段的竞争,并且建议落选的三家公司与优胜者组成设计团队以分摊设计工作,成本与损失。诺斯洛普选择与麦克唐纳 - 道格拉斯联合与洛克西德,通用动力以及波音公司的团队分庭抗礼。

  YF-23的第一架原型机于1990年6月23日出厂,8月27日进行第一次试飞,YF-22第一架要到8月29日才出厂。9月29日进行第一次试飞。YF-23于9月18日第5次试飞时在不使用后燃器下达到1.43马赫的超音速巡航纪录,YF-22则是在11月3日达到1.58马赫。YF-23第二架原型机于9月29日出厂。两架原型机分别使用不同的发动机:一号原型机使用普惠YF119,二号原型机则是奇异YF120,与YF-22刚好颠倒。

  YF-23原型机设计概念与YF-22有很大的不同,除了采用许多现有的零组件之外,YF-23的试飞计划里面并未包括试射空对空导弹与验证高攻角飞行能力,多是以风洞测试蒐集与验证资料。根据测试的结果显示,YF-23没有攻角限制,飞机能够自任何螺旋(Spin)轻易恢复稳定飞行,只有当导弹舱门呈开启状态时会有困难。

  YF-23一共进行50次,总计65小时的试飞项目,最大空速达到1.5马赫,最大负载达到7G,最大攻角达到25度。

  性能比较

  YF-23与YF-22的各项性能比较目前仍是机密,不过根据外界的观察,YF-23的飞行速度较高。虽然没有向量喷嘴和水平控制面,后机身结构反而比较简单,重量也较轻。YF-23与YF-22在大部分的飞行包络线范围下的性能差距不大,YF-22只有在低速下的控制性略胜一筹。

  两款飞机都采用内置弹舱,必要时可以在机翼下另外携带武装。但是YF-23的量产型将需要延长机身以加入另外一个弹舱。设计团队皆宣称这两种飞机都没有攻角限制,同时都具备超音速巡航能力。

  竞标结果

  所有测试于1990年12月结束,两组团队根据测试的结果提出工程与生产发展(Engineering and Manufacturing Development,EMD)企划案,经过90天评估之后,美国空军系统计划办公室(System Programme Office,SPO)在每一项类别上以红黄绿蓝四色代表两款原型机的表现:红色是未能满足需要,黄色是可以改进的项目,绿色是达到需求,蓝色则是表现优异,这种评分免去分数相加的可能与总分会与个别项目之间不相符合,提供决策者较为客观的评量参考。

  美国空军总司令最后决定由YF-22夺标,进入下一阶段的研发计划。诺斯洛普与麦克唐纳 - 道格拉斯两家公司受到相当大的影响,前者与格鲁门公司合并,后者纳入波音公司旗下,短时间之内将没有机会为美国军方设计战斗机。

  如前面所描述的,如果两种原型机各有所长但是差距有限的时候,最后决定的关键就不是在性能比较方面。YF-23竞标失败的原因也没有公开过,综合当时各种推测之后的可能性包括:

  诺斯洛普在B-2轰炸机研发案上出现不少预算超支与时程落后的状况。

  1990年代诺斯洛普在发展沉默彩虹导弹上让美国空军不是很满意。

  美国空军对于洛克西德公司发展与生产F-117所展现的计划管理与执行能力相当满意。

  YF-22团队当中还有对大型计划非常有经验的波音公司。

  美国空军极有可能从ATF计划的挑战性,设计团队过去执行与管理计划的能力与纪录等方面,选择了综合能力较强的YF-22而将YF-23踢除。

  设计特点

  相较于YF-22,YF-23的机身比较长,采中单翼,机翼的前后缘分别后掠与前掠40度,类似于菱形。机身后方没有水平控制面,以两片向外倾斜50度的垂直控制面取代两者。

  进气口位于机身下方靠近机翼前缘的位置,进气口和进气道都采用固定结构,没有可以移动的部分,不仅能够降低重量,也避免增加正面雷达反射截面积(RCS)。进气道在机身内部向上弯折与位于机背的的发动机相连接,喷嘴位于外倾的垂直控制面的中间处,从后下方无法直接看到喷嘴,降低红外线讯号的强度,同时也限制安装向量喷嘴的可行性。

  原型机只有一处弹舱,位于两侧进气道的中央,座舱与发动机之间。量产型预定增加的弹舱将会位于这个弹舱的前方。

  YF-23A展现了与YF-22A全完不,同的设计概念,也体现了诺斯罗普/麦道设计团队对未来空战要求的理解。

  总体布局YF-23A的总体布局在很大程度上继承了诺斯罗普概念设计方案的特点。其菱形机翼+V形尾翼的布局,介于传统正常布局和尢尾布局之间。单座,双发,中单翼,腹部进气。

  和YF-22A一样,YF-23A最终并没有采用一度呼声颇高的鸭式布局。事实上从七家公司的方案无一采用鸭式布局这点上就能看出美国人的倾向了。在一定程度上,这是受了几年前七巨头讨论会上通用动力的影响——哈瑞-希尔莱克说“鸭翼最好的位置是在别人的飞机上。”笔者在《王者之翼》中曾提到过,拒绝鸭式布局的原因之一是配平问题。如果按照能够进行有效的俯仰控制原则水设计鸭翼,那么鸭翼就无法配平机翼增升装置产生的巨大低头力矩。如果需要配平增升装置,那么鸭翼必须增大,对机翼的下洗也随之增大,反过来削弱了增升效果。而且为了防止深失速,可能还需要增加平尾。另一方面,从跨音速面积律来说,大鸭翼很难满足跨音速面积律的要求,增大了机身设计难度和超音速阻力——这对于强调超巡的ATF(特别是YF一23A)来说,尤其难以接受。

  而拒绝鸭式布局的另一个重要原因是隐身问题。鸭翼的位置、大小、平面形状很难和隐身要求统一起来。隐身设计的一个重要原则是尽昔减少(但不可避免)机体表面(特别是迎头方向)的不连续处,而鸭翼恰恰难以做剑这一点。如果还希望把机翼前后缘对应的主波束数量减至最少(也就是前后缘平行),将带来更大的设计困难。

  虽然根据美国空军的要求,ATF必然兼顾隐身和机动性,但各个公司设计思想不同,飞机性能偏重也必然不同。从YF-23A最终选择了V形尾翼而非传统四尾翼布局来看,诺斯罗普追求隐身的意图相当明显,他们的的设计可大大减小飞机的侧面雷达反射截面积。由于减少一对尾翼,飞机重量和阻力也可减小,对于提高超巡能力也有助益。但随之而来的是操纵面的效率问题和飞控系统的复杂化。

  机身 为满足“跨战区航程”的要求,ATF必须有足够大的载油量而考虑到隐身要求(飞机不能外挂副油箱),所有燃油必须由机内油箱装载。因此无论是YF一22A还是YF一23A,都必须提供足够的机内容积——几乎相当于F一15的两倍!从机体尺寸来看,YF一23A机身长度增加明显,但仍然有限,因此其机内容积增大必然主要来自飞机横截而积的增大。如果从跨/超音速阻力方面来考虑,飞机横截面积增大不利于按照跨音速面积律来设计飞机。适当地拉长机身,有助于平滑飞机的纵向横截面积分布,减小跨/超音速阻力。但机身加长,必然导致飞机纵向转动惯性增大,这对于提高飞机敏捷性和精确控制能力是不利的。苏一27的机身长度和YF一23A相近,有飞过苏一27的飞行员说,该机操纵惯性较大,并不是那么好飞。

  事实上,仅仅从机身设计的特点我们就可看到YF一23A和YF一22A在设计思想方面的差异。从机内载油量来看,YF一23A载油10.9吨,YF一22A载油11.35吨,考虑到机内弹舱设计载弹量相同(之所以说设计,是因为YF一23A的格斗弹舱还停留在图纸上),那么YF一23A的机内容积不会大于YF一22A。而YF一23A的机身长度却明显长于YF一22A(后者由于尾撑和平尾的原因,实际机身长度从有18米多),这意味着即使在飞机最大横截面积相当的情况下,YF一23A也可以获得更平滑的横截面积分布(也就是更小的跨/超音速阻力),当然也获得了更大的纵向转动惯量。不难看出,为了解决横截面积增大带来的阻力问题,YF一23A和YF一22A的选择截然相反,前者选择了速度性能而牺牲了敏捷性和精确控制能力。这也在一定程度上反映了两大集团对未来战斗机的定位。 在外观上,YF一23A的机身颇有些洛克希德SR一71黑鸟的风格,看上去就像把前机身和两个分离的 发动机舱直接嵌到一个整体机翼上一样。前机身内主要设置雷达舱、座舱、前起落架舱、航电设备舱和导弹舱。前机身前段横截面近似一个上下对称的圆角六边形,然后逐步过渡到圆形潢截面,最后在机身中段与机翼完全融合。后面的进气道和发动机舱横截面仍是梯形,并以非常平滑的曲线过渡到机翼或后机身的“海狸尾巴”,这有助于减小相互之间的干扰阻力。前面提到过,空军取消了采用反推装置的要求,而诺斯罗普并未修改设讣,在后机身形成非常明显的“沟槽”,带来不必要的阻力增量。

  边条 边条翼布局在大迎角时比鸭式布局的升力特性有更大优势——这是影响诺斯罗普选择YF一23A整体布局的因素之一。就传统边条而言,其展长的增大(面积也增大)对提高大迎角时的升力有明显好处。但展长越大,大迎角下产生的上仰力矩也越大;成为制约边条大小的一个因素。但显然YF一23A的边条不同于三代机上的传统边条。其三段直线式窄边条设计相当有特点,从机翼前缘一直向前延伸到雷达罩顶端。这种边条倒是和YF一22A的边条颇为类似。

  YF一23A的边条具有以下几个功能:产生边条涡,在机翼上诱导出涡升力,改善机翼升力特性;利用边条涡为机翼上表面附面层补充能量,推迟机翼失速;起到气动“翼刀”的作用,阻止附面层向翼尖堆积,推迟翼尖气流分离(事实上由于YF一23A机翼根梢比很大,高速或大迎角下可能会有明显的翼尖分离趋势);大迎角下机头涡的分离,提供更好的俯仰和方向稳定性——直到第三代超音速战斗机,大迎角下机头涡不对称分离的问题仍未解决,这是限制飞机进入过失速领域的一个重要因素。

  但如果从传统观点来看,YF一23A的边条太小,能否产生足够强的涡流,起到应有的作用还是个疑问。如果确实可以,那么一种可能性就是该机边条的作用原理有别干传统边条,另一种可能就是还有其它的辅助措施来协助改善机翼升力特性。有资料提及,“机头和内侧机翼所产牛的涡流对尾翼没有什么影响”,这可能意味着YF一23A机翼内侧可能有某种措施以产生涡流,起到和边条涡类似的作用。在YF一22A的进气道顶部各有两块控制板,用于控制机翼上表面的涡流。YF一23A可能也有类似设计——其机翼内侧有进气道附面层的放气狭缝,不排除附面层气流经过加速后由此排出,借以改善机翼上表面气流状态的可能性。

  机翼巨大的菱形机翼可以算是YF-23A最突出的外形特征之一。机翼前缘后掠40度,后缘前掠40度,下反角2度,翼面积88.26平方米,展弦比2.0,根梢比高达12.2。诺斯罗普之所以选择这样一个占怿的机翼平面形状,最重要的影响因素就是隐身。YF一23A的隐身技术继承自B一2,两者有类同之处——其中之一就是X形的四波瓣反射特征。要实现四波瓣反射,机翼前后缘在水平面内必须平行。这样一来,诺斯岁普没有更多的选择:要么采用后缘后掠设计,形成后掠梯形翼,基本类似B一2的机翼;要么采用后缘前掠设计,形成对称菱形翼。

  采用后掠梯形翼,好处是后掠角选择限制较小,可以根据需要进行优化;但和三角其相比,缺点也很明显:结构效率较低;内部容积较小,对于要求跨战区航程的ATF而言影响尤大;气动弹性发散问题较明显;机翼相对厚度的选择受限制,不利于选择较小的相对厚度来减小超音速阻力。如果选择后缘前掠设计,当机翼前缘后掠角(后缘前掠角)较小时,这种机翼更接近于诺斯罗普惯用的小后掠角薄机翼(典型的如F-5、YF—17),所面临的问题则和后掠梯形翼相同——超凡的续航能力和优良的超音速性能是这种机翼难以解决的巨大矛盾。而采用大后掠角的对称菱形翼,在隐身上是有利的——F一117采用高达66.7度的后掠角,就是为了将雷达波大幅偏转出去——但气动方面的限制已经否决了这种可能性:展弦比太小,气动效率极低,这种飞机造出来能不能飞都是个问题。而且后缘前掠角太大,将使得机翼后缘的增升/操纵装置的效率急剧降低直至不可接受。

  综合权衡之下,只有采用中等后掠角的对称菱形翼,才能在隐身、续航、气动等诸方面取得令人较为满意的平衡点。至于为什么恰好选定40度后掠角,笔者认为,在其它条件基本得到满足的情况下,优化边条涡的有利干扰应该是影响因素之一。不过,既便如此,40度的后缘前掠角也严重影响了机翼后缘气动装置的效率:YF一23A必须使用更大的襟翼下偏角来保证增升效果,但这又增大了机翼上表面附面层分离趋势,不但增大了附面层控制难度,也反过来降低了增升效果另一方面,YF一23A的副翼效率也不佳,导致其滚转率不能满足要求,而这最终影响到了竞争试飞的结果。

  就机翼的特点来看,诺斯罗普的考虑优先顺序首先是隐身,其次是超音速和续航能力,最后才是机动性和敏捷性。

  为改善机翼升力特性,YF一23A采用了前缘机动襟翼设计,其展长约占2/3翼展。有资料称该机采用的是缝翼设计,但在YF-23A试飞照片上看不出缝翼的特征。而且从隐身角度考虑,当缝翼伸出时,形成的狭缝将成为电磁波的良好反射体,这对于诺斯罗普来说是绝对不能接受的。

  事实上,前缘襟翼对飞机的隐身特性仍然有不利影响。最好的解决手段是在AFTI/F一111上验证的任务自适应机翼技术,可以避免机翼表面的不连续和开缝,不过遗憾的是直至今天这一技术仍未投入实用。对此,YF-22A采用了从F一117上继承来的菱形槽设计,使得襟翼偏转时该处成为低雷达反射区。而极力追求隐身的YF一23A竟然不考虑这个细节,唯一的解释就是在该机的典型作战状态(超巡)时,机翼为对称翼型,不需要偏转襟翼。

  位于YF一23A机翼后缘的气动操纵面设计相当有特色,可算是YF一23A的亮点。有的资料称,机翼内侧为襟翼,外侧则是副翼,但实际情况远非这么简单。简单的襟翼、副翼之分,并不符合诺斯罗普在YF一23A上体现出来的“一物多用”的设计思想。就YF一23A的试飞照片来看,内、外侧控制面均有参与增升和滚转控制。因此笔者将其定位为“多用途襟副翼”。之所以说“多用途”,是因为这两对控制面除了传统襟副其的功能外,还兼有减速板和阻力方向舵的作甩当内侧襟副翼同时下偏,外侧襟副冀同时上偏,在保证机翼不产生额外升力增量的同时,产生对称气动阻力,起到减速板的作用;当只有一侧襟副翼采用上/下偏时,则产生小对称阻力,起到阻力方向舵的作用——这肯定是从B一2的设计继承发展而来的。这种设计相当新颖,有效地减轻了重量,但飞控系统的复杂性和研制风险则不可避免地增大了。

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