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什麽飛機在設計上有令人拍案叫絕的技術革新?

2018-04-02知識

我覺得這個問題下,沒有提到這架全身都是令人拍案叫絕的技術革新的飛機是一個巨大的遺憾,這是我在知乎肝過的最長的答案,希望可以彌補一下~

縱觀人類100多年既漫長又短暫的航空史,如果讓我選擇一個最能代表人類在探索尖端科技中展現出的野心、勇氣和創新,一個無可辯駁的工程學奇跡,那我會不假思索地選擇上世紀50年代末開始,綻放於60年代的,由北美公司主導的XB-70超音速轟炸機專案。

1964年XB-70原型機20001首次在公眾媒體前展示

說起可以持續3馬赫飛行速度的大型飛機,SR-71無疑是家喻戶曉的明星,而且其最高速度(3540千米/小時)和最高巡航高度(26000米)均高於XB-70(最高速度3310千米/小時,最高巡航高度24000米),但請不要忽視兩者之間巨大的體積差距,SR-71的最大起飛重量相當於中型客機波音737-800,而XB-70則接近波音787-9洲際客機的起飛重量,對於一個起飛質素245噸的龐然大物,3馬赫巡航的難度呈幾何級增長。做一個形象的比喻,近2噸的高端轎車在平直的高速路上開到240千米/小時,雖然接近極限,但不少豪車都能做到,但是你想把6、7噸的6輪輕卡開到240千米每小時,恐怕得對車體進行改裝並且加裝超強發動機才能做到......

無奈的困局

盡管B-52在上世紀50年代因為其令人印象深刻的載彈量和航程被認為是世界上最成功的戰略轟炸機,但他在蘇聯廣布的防空雷達和超過2倍音速的截擊機的聯合威脅下,在執行對蘇聯本土的淩空核轟炸任務時幾乎沒什麽生存空間。1956年首飛的康維爾公司B-58超音速轟炸機一定程度上解決了生存力底下的問題,它有這大三角翼的氣動布局,翼下吊著4具具有加力燃燒室的渦噴發動機,超過0.9的推重比使得它首飛時是當時唯一可以持續超音速飛行的轟炸機。但是在當時的技術條件下為了追求這種「超音速持續性」,飛機無法做大,只能被歸於中型轟炸機,故沒法攜帶更多的油料和炸彈。面對所謂的蘇聯威脅,以及自家兄弟的核武器權力的競爭,心高氣傲的美國空軍很早就開始幻想擁有一種,既有B-52的龐大的載彈量,又有不亞於B-58的超音速效能的超級轟炸機。

左B-52,右B-58,1950S末美利堅空基核力量的中堅

幻想終歸是幻想,不要說3馬赫了,因為把B-52重量級的轟炸機推動到超過音障所需要的推力,對50年代猶如鶸的噴射式發動機來說就是一個幾乎不可能完成的任務。當飛行器接近音障的時候,阻力會陡然增加,只有突破音障後,阻力系數才會緩慢下降。如果沒有強勁的動力去推動飛機跨越音速障礙,那麽超音速是不現實的。此外,我們經常看見某發動機的效能數據是推力XXXXX,通常這是指海平面的靜推力,發動機的推力表現和所處的速度和高度都有關系,這裏拿在中俄兩國廣泛套用的AL-31F發動機不同工況下的推力表來舉例,海平面0速的推力和高空高速的差距是很大的。考慮到這個因素,大體積飛機的超音速更加困難。

跨音速阻力系數突增
發動機不同速度高度的效能是不同的

那怎麽辦?

只要思想不滑坡,辦法總比空難多。科研和工業實力站在人類巔峰的1950s的美帝,總有充足的方法來滿足你的幻想,這些方法,4字足以概括: 劍走偏鋒

劍走偏鋒的方案

既然諸如渦噴,渦槳這類燃氣發動機無法滿足推力需求,那就從隔壁一等人海軍兄弟那兒取經。1956年1月21日,世界上第一條完全實戰化的核動力潛艇在康涅迪格州通用動力的船廠下水。它接替二戰時期戰功彪炳的SS-168潛艇,被命名為SSN-571「鸚鵡螺號」,同時也致敬了凡爾納的小說【海底兩萬裏】。既然潛艇可以核動力,飛機為什麽不行?於是康維爾公司就將世界上最大的轟炸機B-36改裝成了核動力飛機驗證機NB-36H以驗證核動力可能性。

SSN-571鸚鵡螺號核潛艇,世界上第一艘實戰化核動力潛艇
攜帶1MW試驗核反應堆上天的NB-36H,後方是伴飛的B-50轟炸機

康維爾的終極目標是驗證空載核反應堆的可行性和安全性,並開發出搭載核動力噴射式發動機的轟炸機(代號X-6),最終前進演化成全程超音速的、擁有幾乎無限續航能力的大型核動力噴射式轟炸機。

噴射式核動力發動機原理:冷空氣吸入發動機經過反應堆一回路的熱交換器的加熱,膨脹做功推動渦輪旋轉提供推力,simple as shit,但實際實作有大量的問題要克服
超音速核動力轟炸機/加油機的一種設想

核動力飛機耗資恐怖,且進展緩慢,顯然,人類還沒有那麽快進入全面核能時代。核動力飛機一旦墜毀帶來的無法挽回的核汙染也不是一般國家能夠承受的,所以這種方案到1961年基本上就被放棄了。老對頭蘇聯,也透過類似的圖-119技術驗證機放棄了類似想法,畢竟大家的困難是相同的。

另一種劍走偏鋒的方案就和今天的主角XB-70有很大的關系了。

如果發動機不行,那我改進一下燒的燃料行不行?如果我的燃料不能支持全程超音速巡航,那我只是在接近目標的時候才開始超音速巡航可不可以呢?如果燃料還不夠用,我加幾個油箱還不行嘛?

本著這樣的思路,兩家大型航空工業公司,波音和北美踏上了設計之旅,專案代號WS-110A。說到波音大家都耳熟能詳,畢竟大家可能都乘坐過波音公司的產品,不過說到北美航空公司,就不是所有人都非常熟悉了,因為這家公司今天已經不復存在。但是如果說起他們的拳頭產品,大家一定聽過,其中包括:大名鼎鼎的P-51「野馬」戰鬥機,F-86「佩刀」戰鬥機,甚至連阿波羅登月飛船的服務艙和指令艙都是他們的產品。

北美公司的P51「野馬」戰鬥機被認為是二戰中綜合效能最好的戰鬥機之一,中國人民解放軍空軍也曾經裝備,所以PLA也曾經是北美航空的使用者

1956年,兩家公司拿出了初步的方案,這兩種方案的外觀能把人驚得下巴掉下來,簡直可以滿足一切科幻迷的幻想:

WS-110A波音方案(左),北美方案(右),您擱著造的是飛機還是殲星艦吶?

我為什麽說這時候的美帝航空業是無限想象力的完美體現,這就是最好的例證。這兩種方案雖然長得不盡相同,但解決問題的思路其實是一模一樣的。飛機機翼的兩端都有一架「小飛機」,其實這並非小飛機,而是一個裝著滿滿當當燃油的大油箱!飛機以亞音速起飛,並且飛到距離目標幾百千米的距離上,然後神奇的來了!他們的機翼會從中間斷裂,把帶有油箱的那個部份分離,這樣飛機就會突然從大展弦比的亞音速轟炸機瞬間變成了一架具有梯形機翼的小展弦比的超音速飛機。這時再利用機體內部內建的,加入了硼烷的燃料,開啟噴射式發動機的加力燃燒室,把飛機推動到2倍音速,接近目標再投核彈返回。硼烷燃料的能量密度遠高於普通航空煤油,所以轟炸機可以提升10-15%的航程,但是帶來的負面效果也是顯著的,它極其昂貴,且燃燒產物有劇毒。

分離翼尖油箱後的北美方案WS-110A,米·····米米格-25去尾拉皮?不對,米格-25更晚出來,至於波音那個方案嘛,F·····FF-104?233333
這種亞超結合的飛航模式讓我立刻想起了3M-54和中國的鷹擊-18,他們算是精神續作~

這就等於繞過了美國空軍的要求,用一種變通的形式,在現有的技術框架下實作了「差不多」的戰術需求。不過這兩種方案的起飛質素超過340噸,制造他們的成本怕不是要登月,空軍對它們的實戰能力和專案前景表示了擔憂,負責美國空軍戰略司令部的柯蒂斯·李梅上將就對此不屑一顧,嘲諷到「你們是在造飛機還是在造船」

燒烤大師——柯蒂斯·李梅

於是空軍拒絕了制造原型機的請求,轉而要求兩家航空巨頭繼續改進他們的設計。上世紀50年代到60年代恰好是美國超音速飛行研究進展最快的時候,幾乎每一年都會上一個小台階。WS-110A專案顯然吸收了這些來自學界和產業界的利好,並用最新的技術來改進他們的設計。很快,類似於F-104的小展弦比梯形機翼被擁有更好的超音速效能的大型三角翼替代,用可調整的斜面二元進氣道來最佳化不同速度下的進氣效率,最關鍵的,就是他們終於等到了合適的發動機。

女武神:崛起

隨著友商通用電氣基於J-79渦噴引擎開發的YJ-93的高速進展,北美公司對WS-110A的完善也在不斷進行。終於在1957年,他們拿出了最終的定型方案,用於和波音公司正式競標遠端重型超音速轟炸機專案,年底中標,1958年初開始制造原型機。預期的量產型分為兩個版本,洲際轟炸機B-70A和保時捷設計版RS-70。啊不是,是偵察版RS-70......

這就是一代傳奇XB-70「女武神」戰略轟炸機誕生的故事。

WS-110A的最終設計

在1950年代,實作如此瘋狂的指標代來的經濟壓力毫無疑問是極為巨大的,壕如美帝,也是主家無余,XB-70首先制造了一架原型機20001,單這一架的造價,不包含研制費用,就高達7.5億美元,按照通貨膨脹率計算相當於現在67.73億美元,足以購買一整個聯隊的F-35戰機。它也毫無疑問成為世界上最貴的單架飛機。

XB-70從外觀上就極具科幻感和速度感,它也包含了諸多令人拍案叫絕的技術革新。事實上其技術革新實在太多,足以寫一本書,我這裏僅僅挑幾點聊一聊,希望可以拋磚引玉。當然,我從不無腦吹什麽東西,XB-70盡管實作了無數技術的飛躍,但相當多的技術並不成熟,試飛中暴露出的問題相當的多,這也是造成其最終命運的一部份原因。

首先,如同所有到達3馬赫巡航速度在大氣層內的飛行器,氣動加熱問題必須得到解決。在巡航高度,3馬赫速度下,機體的平均溫度可以達到230攝氏度,一些前部尖銳部份可達350攝氏度。此時,普通飛機的航空鋁材早已出現嚴重的強度問題,更換材料是必須的選擇。SR-71這樣的「小飛機」可以選擇把機體材料的92%都換成質地輕,耐溫強並且強度高的鈦合金,代價是焊接困難,只能用無比坑爹的密集鉚接,甚至因為考慮到熱脹冷縮,在地面時其油箱都無法封閉,只能一邊加油一邊漏油,使得其地面保障工作繁重冗長。

SR-71未上漆的樣子,可以明顯地看到其三角形的鉚接蒙皮,有利於對抗幾乎無解的熱脹冷縮的問題

這些致命缺點使得鈦合金用在大了三倍的XB-70上是完全無法想象的,於是工程師們幹脆就使用密度為鋁數倍的普通不銹鋼來制造這架超級飛機。當然不是簡單的使用不銹鋼來替代鋁材,而是創造性地使用了一種三明治結構:中間由蜂窩狀的薄板支撐起兩端非常薄的不銹鋼鋼板,這樣既減輕了重量,又保證了散熱。

在一些直面超音速氣流的尖銳部位,,如翼尖,頭錐等部位,XB-70也采用了較為昂貴的鈦合金。而針對內部冷卻,北美的解決方案聽起來很像現在的火箭發動機,他們將冷的燃料流經那些需要冷卻的地方,再輸入引擎。不過盡管這種設計看上去精妙無比,實際測試中出現了關鍵部位強度不足的問題。相比於同樣使用大量鎳鋼的2.8馬赫的蘇聯米格25所展現出的驚人的可靠性,XB-70陷入了典型的美式科研陷阱,花了一大堆錢,提出了精妙而牛逼的解決方案,但是可靠性和實用性上敗給了蘇聯神一般的整體設計和技術整合。XB-70的第一架原型機在嘗試突破3馬赫時,翼尖部位出現破損並直接損壞了後面的發動機,直到第二架原型機時才有一定的改善。

XB-70的內部透視,綠色的部份為油箱,紅色的部份為發動機進氣道,黑色的部份為發動機,請註意進氣道旁邊的收起的起落架

為了超音速最佳化的機身修長狹窄,這就給機內空間的布置帶來了很高的難度。由於采用了相當耗油的超音速巡航設計,XB-70的絕大部份機體空間都要被龐大的油箱占據。245噸的最大起飛重量,油箱中就可以攜帶140噸燃油!還要再除去可以放置高達數噸的早期熱核武器的彈艙,這就帶來一個不大不小的問題:起落架艙極其難以布置。

XB-70 主起落架結構,註意Axle-beam fold,非常類似於後來波音777-300ER起落架上的semi levered gear strut

起落架,一個看起來完全不起眼的東西,是XB-70的重要組成部份。它的設計要求,至少從當時的視角來看,是絕對前無古人的。XB-70是當時世界上最大的飛機,也是世界上飛的最快的飛機。這帶來了幾個極富挑戰性的問題:首先飛機巨大的重量需要強大的起落架來承受起降的沖擊,大約40萬牛米,其次是為了完成制動並滿足XB-70在滿載起飛時終止起飛的剎車要求,它的起落架必須有一套效能炸裂的剎車系統。根據計算,在XB-70全力剎車時,其剎車需要消耗56MW由於制動帶來的熱能,相當於幾萬個家用取暖器同時對著幾個輪子狂吹。如此恐怖的能量要在方寸之間散熱殆盡,這又對散熱系統提出了極高的要求。還有,請別忘了,這是一架可以以3馬赫的高速飛行的飛機,即便收在起落架艙中,起落架也會暴露在相當高的溫度下,於是防熱也是設計的重點。最後,還要考慮到極其有限的存放體積,這些困難使得就算平時不起眼的起落架的設計都需要極大的創新。

最終,工程師們設計了可以8輪小車式的主起落架,它透過在水平面上先扭轉90度,再在垂直面上旋轉90度,保證了起落架可以被收納在一個狹小的立方體空間內。這是世界上第一個采用這種被後來無數民航客機模仿的半搖臂式4輪小車主起落架設計。我看到 @王騫river 和 @柴健翌 的答案,裏面提到了波音77W的特別起落架設計,不知道波音的工程師是不是從近半個世紀前的競爭對手的方案那裏得到的啟發?哈哈哈

XB-70主起落架的兩軸90度旋轉收艙動作,此gif比真實速度快1倍

為了對抗飛行中產生的高溫,整個起落架的輪胎部份都被刷上了耐溫塗料防止因熱爆胎。此外,工程師還專門設計了一套液體冷卻系統,用乙二醇溶液作為冷卻劑流經起落架艙的艙壁,帶走熱量。透過這套系統,可以將一層薄鋼板相隔250攝氏度的外表面降溫至內表面的121攝氏度。

為了解決剎車時的巨量熱量,剎車片被單獨放置在輪軸上,這樣可以獲得更高的散熱能力。同時,每一組起落架上,除了四個輪胎外還專門安裝了第五個傳感輪,這只輪子和一個電機相連,它可以測出飛機真實的相對地速。這樣整個負責控制剎車的電腦系統透過對比剎車片速度傳感器就知道有沒有出現抱死,一旦發生,就可以啟動防抱死系統。要知道,這是50年代設計的飛機,很多今天我們看起來已經不足為奇的技術,在當時幾乎都是不可想象的。

XB-70的彈射救生座椅,又是個為了解決不可能問題而生方案——在21公裏高度,3馬赫速度下救人。由於飛行員在這個速度下直接受到氣流沖擊很有可能身受重傷,工程師們創意地想出了「救生繭包」方案,即在彈射前將整個座椅完整包裹,這樣飛行員無需直接面對超音速氣流。當然北美並不是發明它的公司,繭包式的整體超音速彈射座椅最早套用在康維爾公司的B-58超音速轟炸機上,不過顯而易見,XB-70的彈射要求遠遠嚴苛過B-58。

繭包式整體彈射座椅
進行高速火箭滑軌試驗的XB-70救生艙彈射

在1966年6月8日那次著名的空中碰撞導致XB-70二號原型機墜毀的事件中,XB-70救生艙首次運作,成功救下首席試飛員Al White,但不夠成熟的設計使得繭包在快速關閉時砸斷了他的手臂。但遺憾的是副駕駛Carl Cross在飛機進入尾旋的極高G力中沒能成功拉動彈射拉桿,所以救生艙沒有啟動。

XB-70所使用的YJ-93高推重比渦噴發動機也是值得贊頌的,其比原型,F-4戰鬥機上使用的J-79發動機僅僅重了680公斤,推力居然增加了一倍,加力推力達到了14060公斤。

XB-70巨大的進氣道足以塞下一個人,每側的進氣道後端是3台YJ-93渦輪噴射式發動機

不過嚴格講這是通用電氣在早期航空發動機上的造詣,就不喧賓奪主地過多介紹了。

我隨便舉了隔熱層、起落架和救生艙的例子,幾乎每個子系統都可以算作「令人拍案叫絕的技術創新」,這架飛機的革新性可見一斑。正如我前面所說,XB-70身上勇敢無畏的創新實在是太多太多,要是事無巨細地描述,足以出一本書,事實上這樣的書不僅存在而且還有好幾本........

但是這些都是浮雲,因為XB-70最耀眼的成就就是它前無古人的氣動布局,前面這點創新就是開胃菜。

獨特而劃時代的氣動布局,永遠的神

高超音速的探索

(這部份是硬核背景科普,如果只想看XB-70的內容可以跳過這部份,不過我盡量保持我的一貫風格,用通俗化的語言來描述復雜概念,爭取做到「只要認真看,就一定能夠懂」。不過對於專業人士來說,這只是科普,所以可能不會過於嚴謹,比如在介紹升阻比概念時,我忽略了升阻比是一個與空速,攻角等因素相關的動態概念,以避免過高的復雜度)

1950年代,在吸收了相當的德國火箭科學家和他們的研究成果後,美國和蘇聯同時進入了火箭科技的高速發展時期。面對火箭彈道式飛行造成的不可避免的高超聲速飛行,美國在加州加強了諸如國家航空咨詢委員會艾姆斯研究中心等研究機構的基礎設施,一大批各式各樣的,速度和大小不一的風洞被建立了起來。

艾姆斯研究中心的兩位風洞科學家和空氣動力研究員,Alfred Eggers和Clarence Syvertson可以說是當時研究高超聲速流體力學的先驅中最優秀的兩位,他們和同事一邊改進剛剛問世的超音速風洞的效能,一邊利用他們做一些模型測試。在可以產生7馬赫流速的風洞的幫助下,他們詳細地探究了不同翼型和氣動布局在超聲速和高超聲速環境下的升力和阻力,並於1956年發表了一篇科研備忘錄 Aircraft Configurations Developing High Lift-Drag Ratios at High Supersonic Speeds ,在其中,他們提出了一種可以顯著提高飛行器超音速升阻比的設計,並把經過風洞測試的數據附在了裏面。

左Alfred Eggers,時任運載器環境部門老大,右Clarence Syvertson,後來艾姆斯研究中心主任
【Aircraft Configurations Developing High Lift-Drag Ratios at High Supersonic Speeds】研究備忘錄封面

為了獲得一個高效的飛行器設計,高升阻比通常是一個重要目標。升阻比(通常會用L/D來表示),是飛行器所受升力與阻力的比值,而飛行器在某一時刻所需要的升力基本上是一個固定的值,那麽如果此數據越高,在等升力條件下的阻力就越小,飛機就可以飛的更快,或者在相同速度下更加節省燃料。舉一些例子給大家有一些數值上的概念:滑翔機得益於它們長長的機翼和較低的速度,升阻比可以超過40,而空客A320在巡航高度巡航時升阻比約為16.3,經過特殊最佳化的長航程客機,諸如波音777-200升阻比可達19.3,而以高超聲速進入稠密大氣層的太空穿梭機軌域器升阻比只有1,但同樣是太空穿梭機,在進近時,升阻比又會回到4.5左右。

總之,飛行器的最大升阻比隨著馬赫數(即音速的倍數)的增加而逐漸減少(Küchemann Relationship),這主要是因為超音速帶來的強黏性效應和強激波。德裔英籍空氣動力學家Dietrich Küchemann根據風洞實測數據發現了大致的比例關系,並且認為高馬赫數下的升阻比是很難超過某一個固定數值的。

升阻比之墻(如虛線所示),縱軸代表最大升阻比,橫軸為馬赫數。實線和虛線都是著名的德裔英籍空氣動力學家Dietrich Küchemann提出的擬合線,虛線在早期研究中是認為無法逾越的「升阻比之墻」 來源:Anderson, 2000

當Alfred Eggers和Clarence Syvertson在整理圓錐狀的導彈頭錐的實測彈道數據時,他們發現圓錐彈頭會產生升力,在深入研究後,基於最基本的牛頓第三定律引申出的動量守恒定律,他們提出了一種相當有趣的設想。

下面這張圖中左邊就是圓錐形的彈頭從屁股向頭看去的示意圖。彈頭在高速飛行時,撞擊了空氣分子,空氣分子的動量改變使得彈頭產生了升力,可惜的是,上下表面因為軸對稱,所以產生的升力基本上正負相抵。第一步改進,就是挫平上表面,這樣可以顯著減小上表面面積,這樣翼面以下「撞開空氣的表面」就遠大於上表面了。這不就產生了正的升力了麽。

Eggers and Syvertson, 1956

接下來我們選擇翼面,這一步更加簡單,因為我們已經挫平了上表面,那麽飛行器在縱向(即垂直於紙面的這個方向)與空氣做相對運動時,只會將向下或向外的動量傳遞給空氣分子。機翼越長越大,對我們保存這樣的動量越有利,我們理論上獲得升力就更多,我們只需要從一團任意的機翼現狀中裁剪出一塊最大的機翼即可。那麽機翼的大小受什麽限制呢?相信你一眼就看出來受到機體頭部尖錐產生的斜激波所限制,我們可不想伸出激波外而產生新的激波,那樣會帶來更大的阻力。所以我們的機翼方案就像一張紙(如下下圖左側),斜激波就像一把剪刀,裁剪出了最佳化的翼面形狀(如下下圖右側),豈不美哉?

尖錐物體產生的斜激波
Eggers and Syvertson, 1956

最後再搞點最佳化:我們看到這樣一個半圓錐物體對空氣產生的動量其實是有向下的分量,也同時有向側面的分量。側面的分量沒什麽卵用,而向下的分量則可以結結實實地提供升力。既然這樣我們為啥不人為地偏轉一下某些毫無用處的側向動量呢?於是把機翼末梢彎折向下這樣一個天才的想法就誕生了。透過偏折側向的空氣動量,飛行器進一步提高了升力。

Eggers and Syvertson, 1956

這樣,兩人的最終最佳化形態就展現在大家面前,參考Sketch (d),從一個純粹的圓錐彈頭,變身成了擁有下反翼尖,上表面一馬平川的神奇形狀。

Eggers and Syvertson, 1956

如此的奇怪形狀被立即雕刻模型,送進了高超聲速風洞,接受3馬赫,4.24馬赫,5.05馬赫,6.28馬赫的高速來流的洗禮。測試結果令兩位工程師大喜所望,風洞試驗結果顯示,在低攻角的正常情況下,此種構型可以大幅提升高超音速升阻比,而且隨著機翼偏折的角度越來愈大,零攻角的升阻比更高。為了讓大家看懂這張數據表,我在圖上做了標註:三張圖中藍色的點代分別代表著模型在3馬赫,0攻角(即來流完全和下表面平行)下,翼面向下偏折的角度為0°,30°和60°時的升阻比,可以看到是隨著偏折角度增加而增加的。

放一張3馬赫的風洞數據作為例證,Eggers and Syvertson, 1956

盡管它的模樣是一種超前和稚嫩的奇怪混合,盡管它被毫無趣味地簡單命名為「Flat-Top」(意為「平頭「),但女士們先生們,這是1956年啊,我們才剛剛在幾乎是手把手的幫助下,仿制了殲-5戰鬥機,可見這是一個多麽超越時代的發明。這種後來被稱為「壓縮升力」的,利用激波產生升力的設計,是後來在空天領域大行其道的乘波體的「直系祖先」,在我們今天驚嘆於東風-17的乘波體彈頭的先進性時,請不要忘記60年前這些先鋒們做的偉大的探索。

東風-17導彈

XB-70的氣動設計

回到XB-70,早在困頓的WS-110A最終競標前,北美的工程師面對推力和速度,航程與噸位的矛盾時,就嘗試一切能夠嘗試的方法,減阻,增升,最佳化設計。他們發掘出了Eggers 和 Syvertson 寫的備忘錄,啟發了WS-110A的改進設計。在新的設計中,引擎被並入機體內部,進氣道放置於機體之下,這樣有利於創造更好的超音速流場。超音速效能優良的三角翼替代了費拉不堪的梯形翼,並用雙垂尾來增加超音速穩定性。這樣的大振幅改良並最終讓XB-70贏得和波音的競標。這一部份我們就來看看北美的工程師是怎麽把激波這個超音速飛行的副產品套用到極致的。

波音WS-110A最終方案,和北美的一比,沒有折翼,沒有設計精良的整體式進氣道,沒有很好的壓縮升力套用,過高的單垂尾。難怪競標輸了.......

首先,根據壓縮升力的套用原則,工程師想辦法把原來兩側獨立進氣的發動機進氣道,改到了機腹下方,這是一次絕妙的激波套用,因為透過進氣道最前方原本用於負擔超音速壓縮的斜面同時也被當作了激波生成器,為了給大家直觀展現這樣一個天才設計,我畫了一下示意圖:

這個視角你會看的更加清楚,此外這張圖上還可以看到進氣道比機腹下表面低一些並留了一條縫,這樣做是使得緊貼飛機表面的質素較差的附面層不被吸入發動機

藍色部份是兩塊呈銳角構造的斜面,它們組成了一個類似楔子的結構。在超音速飛行下,它們會生成一面立體的斜激波,即紅色部份,它們會被上方巨大的三角翼蓋住,這樣斜激波產生的壓力就可以對主機翼起到一個非常好的增升作用。然後別忘了在高速飛行時,其機翼末端時下垂的,這意味著,這道激波甚至會觸碰下反的翼尖反射,繼續提供升力。事實上整個進氣道外壁也是一個大斜面,也可以產生激波,並被垂下的翼麪包住。

正在進行風洞試驗的XB-70模型,可以看到其機頭和機翼根部兩道明顯的斜激波
XB-70隨著速度增加可以變動其機翼末端的下垂角度

然後便是驚為天人的翼尖向下折疊的設計,它簡直是工程學的典範,因為它用一個小小的方法解決了三個重大問題: 一箭三雕 。47平方米的翼尖與主翼以鉸鏈的方式接合,在高速飛行時翼面可以下垂25度至65度。首先,正如上面介紹的壓縮升力設計,Eggers 和 Syvertson已經證明了它可以大振幅提升飛機的超音速升阻比。北美工程師則更進一步,人為的制造了多個斜激波,讓機翼去包裹這些激波,從而進一步提高升力系數。其次,超音速下,薄型機翼的氣動效率會驟降,如果不想大規模增厚機翼,那麽就需要更多的垂直安定面,否則飛機的穩定性會出問題。垂下的機翼恰好提供了縱向穩定性,居然順帶著把這個問題解決了。要想知道多大程度上幫助了飛機的設計,請看一看波音方案的垂尾面積和厚度你就懂了。最後一個解決的問題是超音速氣動中心位移的問題。當飛機的速度超過音速後,其氣動中心會向機尾移動,而其質心則保持不變,這樣會導致飛機會不自然地出現機頭向下的傾向(參考下圖)。通常有兩種解決方案,一種就如同下圖的飛機這樣,利用翼面的偏轉,給飛機疊加一個壓機頭的力,但這樣會明顯增大阻力。第二種方案是協和式飛機采用的方案,透過把機體後部的油抽到機體前部的油箱來改變飛機的重心,以匹配改變了的氣動中心。

氣動中心位移現象
協和式超音速客機的氣動中心後移解決方案,飛一次要抽18噸的油

而北美的天才們的方案,直接透過偏折減小了機體後部的等效翼面積,這就等於在一定程度上遏制住了氣動中心後移的問題,這樣既不用抽油,也不用增加額外的阻力,簡直完美。實驗數據表明,光XB-70的這個翼尖下偏的技術,就給飛機減小了高達30%的誘導阻力。機頭的鴨翼也可以在氣動中心後移時向下偏轉提供更多的擡頭力矩去平衡氣動中心後移造成的低頭力矩。

這種類似的下反翼面後來也被進一步發展為很多乘波體飛行器的設計,不過大多沒有最終完成專案。

蘇聯АЯКС超燃沖壓飛行器設計
德國Saenger II TSTO空天飛機設計
很顯然,虎鯨也是一種乘波體(極其確信)

最後一個令人感到吃鯨的便是XB-70那神一樣的進氣道設計。有一說一,就算放到現在,這種2X3的進氣布局,都會讓很多經驗豐富的航空工程師頭疼,更別提XB-70的主要設計工作是在50年代,更別提這個進氣道需要考慮從2、300千米每小時的起飛降落到超過3馬赫的超音速全部速度範圍的進氣效率。所以XB-70的進氣道設計效果如何呢?

IT DID A FXXKING GREAT JOB!

俯檢視,紅色的部份表示進氣道結構
九....九波系混合式可變進氣道?太強了

進氣道這個話題專業性極強,要想講清楚是很不容易的一件事情,我盡全力講的深入淺出,不過如果各位看官實在覺得枯燥,那就跳過這段吧,知道XB-70上的這玩意極其牛逼就行了!

另外推薦另外一位答主的回答,他寫的圖文並茂,簡單易懂,可以學習到一些關於進氣道的基礎知識。

為了極致的全速度總壓恢復最大化,XB-70在航空史上開創了將多波系外壓縮和內壓縮結合創舉。

千萬別被高大上的名詞嚇住,進氣道的唯一目的,就是把高速度,低壓力襲來的氣流透過一番神奇的操作變成低速度,高壓力的氣流,然後提供給引擎享用,就這麽簡單。高壓力這個估計理解難度不大,可為什麽要降低氣流的速度呢?原因也非常簡單,就是現在的渦輪引擎只能在亞音速下工作......事實上不只是僅能在亞音速下工作,而且是很低的速度,大約馬赫數0.4-0.5。所以什麽是一個好的進氣道?就是可以完美地把不同速度的超音速氣流降速到馬赫數0.4,還不能損失太多的總壓。那怎麽減速呢,答案就是用激波進行減速,從 @朱立暢 的答案中,你大概已經知道了可以用斜激波或者正激波來減速,而且得出了斜激波,YES!正激波,8行的結論。

原來想自己弄個Fluent跑一下,結果下錯了..... 只能從網上找圖了,完全不嚴謹,意思意思。左邊斜激波,右邊的前端是正激波,大家可以從白色箭頭指示的色彩梯度中感受一下兩者減速能力的強弱,右邊的減速能力太強了

具體來說就是正激波減速能力非常強,但是壓力損失太高,斜激波減速能力弱,但是壓力損失則很低。在一切都相同的條件下,要是有能力使用斜激波減速,就別用正激波。但是對於一架進氣速度超過3馬赫的飛機來說,普通的斜面進氣道是遠遠不夠用的,原因很簡單,因為普通的二元N波系(N小於等於4)進氣道,他減速效能不夠,到了發動機跟前還是超音速呀!那咋辦呢,學習AMD堆核心的精神,一個字,堆!多弄幾個斜激波不就完了麽。這就是所謂的「外壓縮」

從此圖可以看出來,在相同馬赫數下,進氣口波系越多,總壓恢復系數越高,意味著提供給引擎的空氣質素更好

XB-70的進氣道的外壓縮部份是由四塊固定的,互相呈一個很小的角度的四塊斜面構成的,它們在超音速的情況下負責生成4道斜激波面,對高速襲來的空氣進行初步的壓縮。如果速度不大於2馬赫,這4道斜激波壓縮也足夠了,不過我們要時刻記得,這是一架設計時速超過3馬赫的飛機,如果來流上升到了3馬赫,那麽4道斜激波是遠遠不夠的。在北美航空天才設計師的設計下,他們精確計算了超過2馬赫後這四道斜激波的位置,並且給他們做了一個反射面!這樣,隨著速度的增加,激波越來越向後傾斜,這樣就會打在反射面上形成反射,這等於又創造了幾個斜激波,而且速度越快,產生反射的斜激波也會越多!在三馬赫的全速下,全部的四條激波都被完美反射(見上上個圖),這樣就有8條斜激波參與減速增壓了。

亞音速
超音速,但低於2馬赫
大於2馬赫

然而,對於超過3馬赫的來流來說,這8條斜激波還是只能將其減速到1.6-1.8馬赫,這離我們的目標0.4-0.5馬赫還差的遠著呢。那怎麽辦呢?外壓縮搞完了,可以開始搞內壓縮了嘛。內壓縮的具體原理極其的復雜,當然還是利用斜激波,只不過它是一種連續復雜的激波形式。不過我想到了一個非常有趣的理解方式,火箭上常用的拉瓦爾噴管。拉瓦爾噴管的作用是將高壓,低速度的火箭燃氣,透過先收斂再膨脹的方式,轉化成低壓但是高速度的噴射流。嘿!這豈不是正好把我們的目的倒過來了?那簡單,我們把拉瓦爾噴管倒過來用,不就達到了我們的目的了嗎?

這,就是內壓縮的原理,其實也很容易理解,不是麽?

火箭發動機上拉瓦爾噴管通常是標配
拉瓦爾噴管,火箭正著用,內壓縮

XB-70的進氣道在外壓縮結構後緊接著的就是內壓縮結構。這個結構就是一個可以改變寬窄的,類似於拉瓦爾噴管的曲面結構。在亞音速下這個機構會擴張到最大,盡量減少曲面變化程度,以保證高效率的供氣。而在超音速下,這個機構就會收窄,形成一個真正的收斂-擴張形態,而到了3馬赫極速,它會進一步收窄,以加強減速效果。經過了這一個完整的減速增壓的過程,3馬赫的來流會減速到0.4馬赫,此時的實測總壓恢復系數可以依然保持在80%以上(對於3馬赫的進氣道,這個數據非常優秀)。YJ-93發動機大哥一邊大口吞氣一邊說,好,很有精神!

XB-70進氣道在3馬赫下的工作模式,可以看到紅色的3馬赫速度的空氣經過4道強烈的斜激波減速後到了2.2馬赫左右,再透過4道反射激波減速到了1.6-1.8左右。然後進入內壓縮區域,最終在最狹窄的喉部形成一個正激波,然後最終減速到了0.2-0.4馬赫區間。

事實上內壓縮排氣口是極其難設計的,因為稍微搞不好,超音速氣流就會在進入口形成正激波,毀了一鍋粥。所以我們今天講的只是非常基礎的原理性的東西,真正讓著架飛機飛起來,還能飛到三馬赫,還有很多很多工程難題要解決。這更加讓我欽佩XB-70的團隊。想不到吧,一個小小的進氣道居然如此復雜。

哦對了,SR-71的進氣道也十分復雜,XB-70和SR-71是目前已知的唯二使用混合壓縮排氣道的飛機,不算上高超,有人飛機中也就他倆飛的最快。

時運不濟,命運多舛

作為一架新技術爆表的戰機,其多次遭遇技術困難是完全可以遇見的,畢竟再神的人他也是人。XB-70首飛就差點沒摔了,先是嘗試收輪,結果輪子直接卡住,嚇得飛行員趕緊復位。然後是一發引擎空中停車。最後在降落時,後起落架著火損毀。第二次試飛液壓系統故障,最後在一篇幹涸的湖泊跑道上迫降....... 第二架原型機第一次3馬赫試飛後,渾身油漆都掉光了.......這樣的故事還有很多很多。最後,因為機毀人亡的事故,因為耗資實在過於巨大,因為美蘇有了洲際彈道導彈和核潛艇這樣的便宜的多的替代品,女武神轟炸機被取消專案,改成科研試飛,然後在1969年完全結束了自己使命。更諷刺的是叱咤風雲的北美航空公司本身也因為財務問題於1967年被收購,最後幾經輾轉收歸了老對手波音麾下。你可以說XB-70作為一個軍用轟炸機專案是失敗的,燒掉了太多的錢,死了幾個優秀的飛行員,連最初規劃的原型機都沒造完,更別提量產了。但是我認為它是有航空史以來最偉大的專案,until now。

為什麽說until now?

因為,一個也許比XB-70專案更加雄心勃勃,更加富有冒險精神,更加偉大的專案正在中國大地上醞釀。雖然以中國人的謙遜和謹慎,很少會說大話,也不常談論多少年後的宏大願景,但是這個專案的意義足以和萊特兄弟的那架能飛幾百米的木制飛機相匹敵。一旦它成功,人類就將獲得像坐飛機一樣天地往返的能力。雖然我們不了解專案的具體,也只能聽到關於它的只言片語,但我相信它不只是一個模型,希望若幹年後,它成為航空航天史上最濃墨重彩的一筆,成為21世紀「代表人類在探索尖端科技中展現出的野心、勇氣和創新,一個無可辯駁的工程學奇跡。」

腳踏大地,仰望星空。

下次我們來聊聊它,敬請關註