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最美黑蝙蝠,YF-23的氣動布局解析,兼談ATF之?dāng)?/span>

 昵稱18154423 2017-11-05

盡管是個(gè)失敗者,沒有那架飛機(jī)象YF23這樣還留有殘念,世界各地的YF 23粉絲非常多,很多人至今仍然固執(zhí)的認(rèn)為YF23比F22更漂亮,每當(dāng)美國空軍有新的飛機(jī)設(shè)想時(shí),總有不少人倡議復(fù)活YF23或者在其基礎(chǔ)上繼續(xù)發(fā)展。到底是什么特質(zhì)讓這么多人念念不忘?

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YF23外號黑寡婦,從這個(gè)角度看,很像地獄出來的魔鬼黑蝙蝠,銳利冷酷兇殘,讓人望而生畏

ATF(先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗機(jī))的空氣動力學(xué)基礎(chǔ)研究始于1976年,在結(jié)合前期DRAPA的研究基礎(chǔ)上,美國7家飛機(jī)公司參與了AIAA組織的未來戰(zhàn)斗機(jī)的氣動布局研究工作,由AIAA牽頭,發(fā)布設(shè)計(jì)階段性目標(biāo),投標(biāo)公司送報(bào)研究計(jì)劃和具體的方案布局,以及實(shí)體的模型。

名詞解釋:DARPA:美國國防高級研究計(jì)劃局(Defense Advanced Research Projects Agency),簡稱DARPA,是美國國防部屬下的一個(gè)行政機(jī)構(gòu),負(fù)責(zé)研發(fā)用于軍事用途的高新科技,不折不扣美國高精尖軍事黑科技的搖籃,提供各種前沿的無敵腦洞,奇思構(gòu)想,當(dāng)然,大部分項(xiàng)目都是失敗的,偶爾成功的幾個(gè)就震動世界,比如互聯(lián)網(wǎng)就是這個(gè)伙計(jì)的杰作之一。

AIAA:美國航空航天學(xué)會 American Institute of Aeronautics and Astronautics(AIAA),全球最大的致力于航空、航天、國防領(lǐng)域的科學(xué)和技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展的專業(yè)性的非政府、非贏利的學(xué)會,簡單點(diǎn)說,就是歐美航空航天牛人協(xié)會,所有先進(jìn)的航空航天技術(shù)都在里面有研究報(bào)告,定期解密一批絕密的航空航空技術(shù)報(bào)告出爐,精品無數(shù),事故教訓(xùn)無數(shù),全世界航空航天領(lǐng)域?qū)I(yè)人士人人拜讀。

AIAA評議出較有希望或者希望搞清楚優(yōu)劣的飛機(jī)方案分別進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn),研發(fā)費(fèi)用由美國空軍授予。這一研究計(jì)劃持續(xù)了大約10年,有5家公司在計(jì)劃中堅(jiān)持到最后,這是首次從頂向下的設(shè)計(jì)研究計(jì)劃,也是全球首次在相同的研究條件,參數(shù)設(shè)定,相同的研究設(shè)定點(diǎn)等條件下的定量,定性研究,它為美國的飛機(jī)公司帶來了大約400個(gè)不同的飛機(jī)構(gòu)型的詳細(xì)空氣動力學(xué)數(shù)據(jù),也同時(shí)收獲了這些數(shù)據(jù)的橫向?qū)Ρ润w系,這是美國經(jīng)過50年代航空大躍進(jìn)以后第一次進(jìn)行規(guī)?;目蒲谢顒?,它有力的將美國飛機(jī)公司的科研水平和原來那些失敗的開始逐漸遠(yuǎn)離國防的飛機(jī)公司重新拉回競爭第一線。

諾思羅普從1978年開始同時(shí)參與美國空軍最重要的三個(gè)絕密項(xiàng)目,B2,F(xiàn)117,ATF,這三個(gè)計(jì)劃都和隱身技術(shù)有關(guān),很顯然,在電子技術(shù)領(lǐng)域領(lǐng)先的諾思羅普在這個(gè)領(lǐng)域有獨(dú)特的優(yōu)勢,因此,諾思羅普設(shè)計(jì)了具有其公司典型發(fā)展特點(diǎn)的基礎(chǔ)研究平臺Tacit blue默示藍(lán)驗(yàn)證機(jī),這是一個(gè)非常重要的飛機(jī),它是諾思羅普設(shè)計(jì)思想的主要架構(gòu),默示藍(lán)顯示了一系列特征,這些特征在后來諾思羅普的產(chǎn)品中幾乎是完全得到發(fā)揮,比如接近六邊形截面的連續(xù)弧形曲面設(shè)計(jì)的機(jī)身,梯形機(jī)翼,機(jī)翼上有復(fù)雜的飛行控制翼面,V形尾,U型發(fā)動機(jī)噴流槽,這些技術(shù)特征在B2,YF23,全球鷹,乃至于最近試飛的Model 401驗(yàn)證機(jī)都清晰可見。

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默示藍(lán)驗(yàn)證機(jī),長相怪異,就像玩具,進(jìn)氣道都埋在脊背幾乎看不見,機(jī)頭胖嘟嘟,嘴巴崛起

默示藍(lán)為ATF項(xiàng)目驗(yàn)證了低可探測性加入到戰(zhàn)斗機(jī)設(shè)計(jì)的可能性,同時(shí)也驗(yàn)證了諾思羅普的梯形翼+V尾的設(shè)計(jì)相關(guān)的飛行控制邏輯和飛行穩(wěn)定性,可靠性等等。1985年美國空軍正式進(jìn)行技術(shù)展示和驗(yàn)證階段工作,這階段將從紙面的設(shè)計(jì)方案中選出兩種進(jìn)行工程建造,最后形成兩架相互競爭的驗(yàn)證機(jī)。經(jīng)過激烈的競爭,最后諾思羅普和洛克希德各自贏得這項(xiàng)6000萬的合同。

YF23首次展示在1990年6月30日,黑色的飛機(jī),流暢的曲線,不同常規(guī)的布局和設(shè)計(jì),宛如外星來的神秘產(chǎn)物,一下就抓住了全世界的心。

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YF23一出場,就是一副狂拽酷炫吊炸天的彪悍姿態(tài),震驚了全世界吃瓜群眾

YF23氣動布局既簡單,又不簡單。它采用了無尾結(jié)構(gòu),但是卻又不是常見的無尾三角翼的結(jié)構(gòu),YF23的機(jī)翼是一對梯形翼,只是這對梯形翼有很大的前緣后掠角和后緣前掠角,這就很有趣了,從飛機(jī)的飛行力學(xué)特征上來說,這屬于典型的小展弦比平直翼,和F104,F(xiàn)/A-18屬于同一類,但是又因?yàn)榍熬壓舐咏沁_(dá)到40度,在大迎角時(shí),它又表現(xiàn)出一些中等后掠角的三角翼的特征。平直翼通常很難有機(jī)會作為無尾布局出現(xiàn),因?yàn)槠涓乙话愣驾^小,襟翼所在位置距離飛機(jī)重心太近,而YF23的后緣前掠角也達(dá)到40度,機(jī)翼根部弦長很大,襟翼位置足夠靠后,所以也能象大后掠的三角翼那樣提供足夠的操縱力矩。

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從腹部看,YF23很像一只肥肥的花蝴蝶,肚皮很寬,機(jī)翼很大

YF23機(jī)頭提供了狹長的邊條,機(jī)翼屬于中等后掠角小展弦比梯形翼,升力斜率,升力系數(shù)等都和典型三代機(jī)F16,F(xiàn)18相似,但是YF23采用了超低的機(jī)翼載荷的飛翼一體化升力體設(shè)計(jì),在升力系數(shù)和升力斜率相似的情況下,翼載荷僅有三代機(jī)的2/3,這意味著飛機(jī)會在比三代機(jī)小的多的迎角下機(jī)動,這時(shí)的阻力更小,剩余的推力更大。

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從做個(gè)角度看,可以看到銳利無比的機(jī)頭邊條

YF23的總體設(shè)計(jì)都體現(xiàn)出為了減小阻力的極度優(yōu)化,為了換取高的超音速升阻比,飛機(jī)采用機(jī)翼一體化的升力體設(shè)計(jì),機(jī)翼很薄,相對厚度小于3.5%,機(jī)身和發(fā)動機(jī)都類似于蘇27那樣以短艙形式附加在機(jī)翼上。

YF23為了盡量減小飛機(jī)的截面積,采用串列彈艙,利用拉長的機(jī)身,將主彈艙和格斗彈艙串列在機(jī)身上,它截面積最大的地方僅有進(jìn)氣道進(jìn)口的一部分和主彈艙,以及少量機(jī)身結(jié)構(gòu),而F22則是整個(gè)主次彈艙,整個(gè)進(jìn)氣道,還加上部分油箱都堆積在機(jī)身中部,YF23的機(jī)身截面積分布比F22要好,再加上本身長細(xì)比更高,超音速時(shí)阻力系數(shù)小20%以上,超音速升阻比大15%以上。

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YF23彈倉串聯(lián)起來,機(jī)身顯得比較細(xì)長,阻力相對較小,超音速性能嚴(yán)重加分

YF23有一對巨大的全動V尾,它外傾斜角度較大,是能同時(shí)提供方向和俯仰兩個(gè)方向配平的,它可以給飛機(jī)提供額外的俯仰控制力矩,有利于進(jìn)一步提高飛機(jī)的控制能力和機(jī)動性,但是V尾的存在本身是讓飛行控制系統(tǒng)變得更加復(fù)雜化,V尾的方向動作是需要副翼進(jìn)行姿態(tài)補(bǔ)償?shù)?,不能完全?dú)立發(fā)揮作用,而俯仰控制又需要和襟翼進(jìn)行權(quán)限分配,YF23的飛行控制系統(tǒng)相當(dāng)?shù)膹?fù)雜,這種復(fù)雜到大迎角階段襟翼的控制失速以后,V尾又處于機(jī)身的強(qiáng)下洗流和部分機(jī)翼下洗流中,控制的非線性很厲害,所以,盡管飛機(jī)在風(fēng)洞中表現(xiàn)出了60度以上迎角飛行能力,但是在YF23整個(gè)試飛的過程,沒有展示任何大迎角飛行能力。

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超大型的全動V尾,隱身加分,但是機(jī)動性大大減分,操縱過于復(fù)雜,負(fù)擔(dān)太重,這是最大的隱患

整體上來說,YF23的氣動布局是基于優(yōu)化超音速阻力和超音速機(jī)動性作為設(shè)計(jì)點(diǎn)的,其本身的氣動技術(shù)依靠參數(shù)也能完全碾壓三代機(jī)的性能,飛行測試中發(fā)現(xiàn),盡管沒有采用推力矢量控制,YF23在亞音速機(jī)動中無論是加速,爬升,還是盤旋,滾轉(zhuǎn),機(jī)頭指向等等指標(biāo),都全面優(yōu)于伴飛的F15,F(xiàn)16.

YF23的超音速性能特別出色,在驗(yàn)證飛行中,僅有YF23在安裝兩種發(fā)動機(jī)的情況下全部超過了設(shè)計(jì)的超巡速度指標(biāo),安裝YF120的YF23在未達(dá)到設(shè)計(jì)推力時(shí)就甚至飛到了馬赫1.6以上(交付YF23的YF120推力較小),在美國空軍模擬測試的空戰(zhàn)環(huán)節(jié)中,YF23的隱身特性和超音速特性結(jié)合表現(xiàn)異常出色,YF23還表現(xiàn)出很強(qiáng)的超音速機(jī)動性。

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YF23:隱身無敵,超巡無敵,真是選美比賽的頭號大熱門,顏值爆表,學(xué)歷高,脾氣好

但是,YF23畢竟失敗了,它敗在哪里?

首先是原型機(jī)設(shè)計(jì)的制導(dǎo)思想出了偏差,雖然美國空軍是給了6000萬,但是洛克希德根本沒打算用這個(gè)錢來限制自己,YF22的研制和制造花了接近2億。諾思羅普雖然也自己投入了一部分資金,但是為了降低成本大量使用了現(xiàn)有的貨架產(chǎn)品來組裝飛機(jī),比如F15的起落架等等,YF23原型機(jī)出來時(shí)飛機(jī)的優(yōu)化程度是低于洛克西德的。

另外諾思羅普的設(shè)計(jì)面對空軍要求的變化反應(yīng)速度比較慢,空軍取消了反推力的要求后,YF23仍然決定不考慮這個(gè)變更,繼續(xù)按照老要求制造,以至于無法安裝有推力矢量控制的噴管,不僅在飛機(jī)機(jī)動性得分上影響了分?jǐn)?shù),還在飛機(jī)大迎角表現(xiàn)時(shí)因?yàn)闆]有推力矢量控制,怕進(jìn)入螺旋無法改出,不敢演示飛機(jī)的大迎角性能。

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反應(yīng)慢了半拍,沒有取消碩大的反推器,造成嚴(yán)重的機(jī)動性損失,客戶的要求就是圣旨呀!千萬拖不得!

最嚴(yán)重的問題主要出現(xiàn)在彈艙的設(shè)計(jì)和演示上,YF23只設(shè)計(jì)了一個(gè)真實(shí)的彈艙,但這個(gè)彈艙僅僅只能開門關(guān)門,沒有實(shí)際的掛載,另一個(gè)彈艙沒有具體做出來,僅僅在飛機(jī)示意圖上有所表示,而競爭對手在演示飛行中表演了發(fā)射AIM9和AIM120,顯示飛機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)進(jìn)度和速度遠(yuǎn)超諾思羅普。

盡管YF22沒有和YF23進(jìn)行過任何模擬空戰(zhàn),也沒有真正意義上的比較極限性能,但是,美國空軍確實(shí)將兩者進(jìn)行了橫向的直接比較,YF22的控制成熟度的優(yōu)勢讓飛機(jī)在試飛過程的機(jī)動性壓倒了YF23,YF22表現(xiàn)出了能力,而YF23表現(xiàn)出的僅僅是潛力。

而極限性能方面,因?yàn)闅鈩硬季值年P(guān)系,YF22在低速端有相當(dāng)大的優(yōu)勢,而YF23則在高速端優(yōu)勢明顯,美國空軍經(jīng)歷了2代機(jī)的冒進(jìn)后對飛機(jī)亞音速機(jī)動性是近乎頑固的檢查,盡管YF23也完全超越空軍的設(shè)計(jì)要求,但是被對手PK下去了也是事實(shí)。

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YF22短粗顏值較差,但是亞音速機(jī)動性超好,嚴(yán)重打動了越戰(zhàn)時(shí)期慘遭敵機(jī)追殺的老飛行員的玻璃心

壓倒YF23的最后一根稻草是諾思羅普的項(xiàng)目管理能力,在B2項(xiàng)目中,諾思羅普屢屢拖延,超期,費(fèi)用惡性膨脹。ATF驗(yàn)證機(jī)中,諾思羅普又表現(xiàn)出計(jì)劃管理的弱點(diǎn),YF23的技術(shù)成熟度低,整機(jī)方案造價(jià)比YF22高20-30%,進(jìn)一步發(fā)展需要更多的時(shí)間和發(fā)展費(fèi)用,還有很多方面的性能未經(jīng)驗(yàn)證,尚存在相當(dāng)大的風(fēng)險(xiǎn)。于是,YF23遺憾的敗北了。

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諾斯洛普把B2轟炸機(jī)做成2B轟炸機(jī),價(jià)格飛漲,一拖再拖,最后130架訂單砍成20架,作死的典范

在美國的競爭體系下,非常規(guī)的布局在最近30年中很難獲得成功,常規(guī)布局的低風(fēng)險(xiǎn)總是獲得利益的那一個(gè),YF23和YF22的故事最后在X35與X32間又重演了一次。

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