為什麼B2轟炸機的巡航速度和波音777差不多,卻用四臺小函道比非加力渦扇,而不是用兩臺大函道比渦扇?

劉凱倫


因為要隱身啊!大涵道比發動機的正面投影這麼大,怎麼能降低雷達RCS值呢?


不光是B-2轟炸機,其他所有隱身飛機,以至於要追求低RCS值的普通戰鬥機和轟炸機,沒有一個使用大涵道比發動機的。



大涵道比發動機,不僅因為正面投影面積大,而且暴露的渦輪風扇能夠大量反射雷達波,會極大提高飛機的雷達信號。所以,這種能直接看到巨大風扇的發動機天生和隱身性能無緣。



B-2和其他隱身飛機,為了降低雷達RCS值,可以說費勁心力,用盡手段,不惜降低速度、機動性乃至於最大航程等傳統性能。像B-2和F-117等隱身機,都還會對發動機進氣口上進行特殊設計,比如格柵和彎曲進氣道,避免渦輪風扇直接暴露。F-35戰鬥機還採用了DSI進氣道技術,就是在進氣口前方設計一個鼓包,能夠有效避免風扇直接反射雷達波。當然,殲10和梟龍也都直接將DSI進氣道搬了過來,所以都有不錯的隱身能力。



陶式防務評論


小涵道比發動機的加速性能好,飛行阻力小,比較費油,而大涵道比發動機則與之相反。B2之所以選擇4臺F118非加力渦扇發動機,主要有兩個原因。

B2選擇小涵道比發動機的原因之一:就是因為它是一型軍機,而不是民機,對航速,加速性,機動性有一定的需求。

B2轟炸機的最大航速為0.95馬赫,一般情況下是達不到這個速度的。F118發動機是F110去掉加力燃燒室之後的形成的型號,說白了也是一款專門為戰鬥機研發的渦輪風扇發動機。就註定其加速性,潑辣性,響應速度比民用發動機好的多。雖說B2轟炸機對速度的要求不如戰鬥機,但是作為一型軍用轟炸機,對其加速性能也有一定的要求。這在這個方面,F118的優勢是GE90-115B無法比擬的。



B2選擇小涵道比發動機的原因之二:內部空間小,裝不下GE90-115B

波音777客機的GE90-115B發動機的直徑過於巨大,達到3.4米。而B2轟炸機帶上起落架時的機身厚度為5.18米,除去起落架估計也就不到4米高。要在這麼低的機身內部安裝直徑高達3.4米的GE90-115B發動機,那也太難了。B2轟炸機對隱身性能要求極高,在設計時整體氣動佈局比較扁平,可以最大限度的減弱正面雷達波的反射。


另外,B2轟炸機還採用了翼身融合技術,從側面看來,其機體就是一個升力體。而B2轟炸機的最高處到地面的距離為5.18米,越向後過渡越低,直到機身尾部。而4臺F118發動機的安裝位置距離進氣口不遠處,這部分的高度是達不到3.4米的,所以根本不可能安裝直徑那麼大的GE90-115B發動機。

可以看到的是,為了裝下直徑不大的F118發動機,還特意設計了兩個高度僅次於駕駛艙的發動機艙,如果要裝下GE90-115B發動機,那麼僅僅發動機艙的高度就要超過駕駛艙不少,極不利於側面的隱身效果。由此可知,B2轟炸機沒有選擇GE90-115B發動機也是很正常的一件事。



安裝4臺F118發動機也不影響B2的整體性能,作為一型戰略轟炸機而言,其航程是必須要足夠遠的。使用大涵道比發動機省下油是否有使用小涵道比發動機多裝的油多,也說不準。所以說,選擇小涵道比發動機可以平衡飛機的隱身性能,加速性能,航程就是個不錯的選擇了。


科技之重


B-2是一款亞聲速飛行、飛翼佈局的隱身轟炸機,從設計思想上來看,美國的第三代戰略轟炸機走的是隱身突防路線,與B-1B、圖-160等追求超音速突防的理念完全不同。走超音速突防路子的戰略轟炸機,(在當年的技術條件下)只有採用中等涵道比發動機才能夠兼顧“超音速和航程”兩個基本性能要求,所以B-1B“槍騎兵”採用了涵道比為2.01的F101-GE-102中等涵道比發動機,圖-160“海盜旗”使用了涵道比為1.4(也有說法接近2)的NK-32中等涵道比發動機。

▲俄羅斯圖-160轟炸機使用的NK-32系列發動機

反觀B-2轟炸機,由於要走隱身路線,首要工作就是在確保“隱身”性能的情況下實現較遠的航程,所以該機設計為飛翼佈局且發動機內埋安裝,內埋安裝的發動機勢必會擠佔原本就緊張的機身內部空間,因此要求發動機必須結構緊湊。以當時可供選用的發動機類型來看,也只能在小涵道比發動機的基礎上研製符合B-2需求的動力系統(中等涵道比發動機的結構尺寸對B-2來說都有些太大了,更遑論大涵道比)。

▲B-1B轟炸機的發動機安裝位置佈局,有條件安裝中等涵道比發動機

隱身飛機特使的外形結構特徵需求

根據現代隱身技術理論,飛機實現雷達隱身的能力取決於“雷達散射面積”(RCS),而RCS又與飛機總體設計有關,飛機的氣動外形、結構佈局、吸波塗層的不同都會引起RCS的變化。其中,氣動外形設計一方面關乎飛機的飛行性能,另一方面又涉及飛機的隱身性能,從隱身方面講“飛機氣動外形結構設計,要做到儘量使入射雷達波不按照照射雷達所處方面反(散)射,使照射雷達接收不到雷達回波”。根據理論分析和現役各種隱身飛機的技術特徵分析,氣動外形和結構佈局對飛機的雷達隱身性能貢獻率超過85%,相較而言吸波塗層的貢獻就有些“微不足道”了。


▲B-2隱身轟炸機的飛翼佈局

綜上所述,隱身飛機雷達隱身能力主要是通過氣動外形佈局實現的,而飛翼式佈局、多面體結構、翼面前緣平行佈局等都是實現外形隱身的典型氣動佈局。所以,B-2的飛翼式外形就是在這種條件下誕生的,內埋式發動機艙設計也是為了使B-2的整體外形更為“簡潔”,避免雷達波散射,而且為其進氣道和噴嘴佈置於機身上方創造了條件。

▲B-2的上置進氣道和尾噴嘴

B-2隱身轟炸機動力系統設計

通過上文的解釋,我們知道根據突防思想的不同B-2選擇了隱身突防的路線,而根據雷達隱身理論該機又採用了“飛翼佈局和內埋式發動機”的氣動外形和結構佈局。那麼,除了考慮機身空間限制而無法使用大涵道比發動機之外,內埋式發動機結構佈局的飛機“發動機直徑越大、迎風面積也越大、升阻比越低”。

對於某一特定的飛機氣動佈局,當發動機最大直徑由 1.3m 增加到1.7m時,其巡航升阻比下降 了約18%。

根據Breguet航程公式,在同等條件下,升阻比越低,飛機的航程越短,如下圖所示:

雖然從普遍意義上將,中大涵道比發動機雖然普遍比小涵道比發動機油耗率低,而戰略轟炸機追求的超越航程恰恰需要“低油耗指標”。但是綜合考慮內埋式的機身空間限制、升阻比和油耗率對航程的影響,B-2還是選擇了以升阻比增大彌補油耗率提高對航程產生的不利影響。

▲小涵道比發動機與大涵道比發動機外形比較

綜合考慮下,B-2採用了通用公司的F118-GE-100小涵道比發動機,這種發動機是在F101發動機核心機的基礎上,參考F110-GE-100(F-16使用)發動機研製過程中的一些新技術發展出來的。F118發動機的外形結構與F110基本一致,但是通過將9級高壓壓氣機壓比從9.5提升到11,渦前溫度從1370℃提高到1427℃,空氣流量增大9Kg/s等措施實現軍用推力增加0.5%。因為隱身戰略戰略轟炸機對高速機動特性沒有特別的需求,所以去掉髮動機的加力燃燒室,從而降低發動機流道阻力,實現在涵道比略微增大、軍用推力增加的情況下,燃油消耗率與F110基本保持一致。

▲F110小涵道比發動機的9級高壓壓氣機轉子剖視圖

內埋式發動機佈局

內埋式發動機佈局的飛機,(為實現隱身採用的)S形進、排氣道的體積和總長度與發動機直徑成正比。根據氣動效率理論,當S形進、排氣道的總長度是發動機進氣口直徑大約4倍時,才會有較高的氣動效率。倘若機選擇大涵道比發動機裝配B-2轟炸機,那麼其整個進排氣系統的體積和重量就會大幅度增加,進而對整機的飛行性能、結構強度、隱身特性等指標均會產生重大影響。

▲B-2隱身轟炸機內部結構圖

如果僅僅是因為燃油消耗濾這一個指標,就採用大涵道比發動機,其帶來的不利影響遠大於其優點,同時由於結構重量大增,升阻比降低,航程反而會下降。而且大直徑進排氣口的雷達屏蔽設計也會趨向複雜化、困難化。總之,對於B-2這種氣動外形結構的飛機來說,中大涵道比發動機是不適合的。


分享到:


相關文章: