隐形轰炸机工作原理

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导读:美国国防部供图 研制B-2轰炸机(即常说的隐形轰炸机),不用说,是个雄心勃勃的项目。在上世纪70年代,美国军方需要一种新式机型替代老旧的B-52轰炸机。军方希望这种飞机能够携带核弹,在短短几小时内绕过地球到达苏联——如果能在敌方的探测器下无影无踪,那就再好不过了。 如你所料,让这样一架巨大的飞机隐藏起来绝非易事。赢得这种轰炸机生产合同的诺斯洛普格鲁曼军火公司为了研发这项绝密工程投入了数十亿美元,花了近10年时间。最后的成品是一架革命性的机器——这架52米宽的飞翼式飞机在雷达的扫描下只相当于一


隐形轰炸机工作原理

美国国防部供图

研制B-2轰炸机(即常说的隐形轰炸机),不用说,是个雄心勃勃的项目。在上世纪70年代,美国军方需要一种新式机型替代老旧的B-52轰炸机。军方希望这种飞机能够携带核弹,在短短几小时内绕过地球到达苏联——如果能在敌方的探测器下无影无踪,那就再好不过了。

如你所料,让这样一架巨大的飞机隐藏起来绝非易事。赢得这种轰炸机生产合同的诺斯洛普格鲁曼军火公司为了研发这项绝密工程投入了数十亿美元,花了近10年时间。最后的成品是一架革命性的机器——这架52米宽的飞翼式飞机在雷达的扫描下只相当于一只昆虫!从航空学的观点来看,这架飞机同样具有革命性:在它身上你找不到任何常规飞机上配备的标准稳定系统,但飞行员都说它驾驶起来像喷气式战斗机一样平稳。

在这篇文章中,我们将了解B-2轰炸机是如何飞行及“消失”的。我们还会看一看飞机的主要武器系统并简要了解一下它的历史:

普通飞机由一个机身(飞机的主体)、两扇机翼和三支接在机尾的安定面组成。机翼制造升力将机身托举到空中。飞行员通过调节机翼和安定面上的活动部件来驾驶飞机。调节这些部件可以改变飞机周围空气的流动方式,从而使飞机爬升、下降和转弯。安定面还可以保持飞机的平稳。(要了解这些部件是如何在一起工作的,请参考飞机如何飞上蓝天。)

而B-2轰炸机则具有完全不同的设计:它是一个整体的巨大飞翼,好像一个回飞镖一样。


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这种飞翼式设计比常规飞机更具效率。它不是用分开的两扇机翼来承担机身的所有重量,而是用飞机的整体来产生升力。去除了机尾和机身后还减小了空气阻力,即空气作用在飞机上的所有阻力的总合。

更高的效率使得B-2轰炸机可以在短时间里完成长途飞行。虽然它不是目前最快的飞机——军方称之为高亚音速,意即它的最高速度稍低于音速(约305米/秒)——但是它可以不加油连续飞行11,000公里,或者进行一次空中加油连续飞行18,500公里。它可以在短时间内到达地球的任何地方。


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<center>一架美国空军KC-10A“补充者”(Extender)加油机

在为一架B-2轰炸机进行空中加油。

B-2轰炸机配有四个通用电气的F-118-GE-100喷气发动机,每个可产生7854公斤的推力。和普通飞机一样,B-2的飞行员通过控制机翼上各部件的运动来驾驶飞机。如下图所示,B-2轰炸机尾部的边沿上装有升降副翼和方向舵。与普通飞机的升降舵和副翼的作用类似,升降副翼可以改变飞机的俯仰角(上下运动)和翻转角(绕水平轴旋转)。升降副翼和方向舵还控制飞机的偏航角(绕垂直轴旋转)。

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飞翼式飞机已经存在很久了,但过去它们一直遭受稳定性问题的严重困扰。因为没有了机尾的安定面,飞机时常会出人意料地绕其偏航轴旋转。正是因为主要有这些顾虑,美国军方才没有采用诺斯洛普格鲁曼公司在上世纪40年代的飞翼式设计。

到了80年代,计算机技术的发展使飞翼式设计成为了一种更具可行性的选择。诺斯洛普格鲁曼公司建造的B-2轰炸机配有复杂的电传操纵系统。飞行员不再用机械的方式调节飞机襟翼,而是向计算机下达指令,然后由计算机来调节襟翼。换句话说,飞行员控制计算机,而计算机控制驾驶系统。

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计算机还负责完成许多独立于飞行员输入之外的工作。它不断监测陀螺仪传感器以跟踪飞机的姿态——即飞机相对于气流的位置。如果飞机开始发生意外的翻转,计算机会自动操纵方向舵从而抵消翻转力的作用。这种校正非常准确,以至飞行员通常感觉不出有任何变化。B-2轰炸机尾边的中间还有一小块楔形翼片。计算机通过对它进行调节来抵消空气湍流的作用力,这称为阵风载荷减缓系统(GLAS)。


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B-2轰炸机的机组成员只有两人——一名飞行员和一名任务指挥官,他们都坐在位于飞机前方的驾驶舱里。相比之下,B-52轰炸机的机组成员有五人,B-1B的有四人。

原本设想B-2轰炸机不需要任何僚机。借助其隐形能力,它应能穿透敌人领空而无须火力掩护,以一当十。实际中,B-2轰炸机通常是在一些战斗机的保户下飞行的。损失如此昂贵的一架飞机所冒风险实在太大了,所以还不能派它去单刀赴会。

诺斯洛普格鲁曼公司设计B-2的首要目标是隐形能力,或称低可辨性。简单来说,隐形就是飞跃敌方领空而不被发觉的能力。理想情况下,隐形战机能够在敌人尚未发出一枪一炮时就到达并摧毁预期目标。

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<center>B-2轰炸机是架庞大的飞机,但其先进的隐形能力使它在雷达上显得比一只麻雀还要小。</center>要做到这点,飞机必须在几个不同方面做好隐蔽。显然,它需要在视觉上与背景融为一体,而且要十分安静。更重要的是,它要能躲避敌方雷达和红外传感器的探测。它还要消除自身产生的电磁能量。

B-2扁平的外形和暗黑的颜色有助于它消失于夜空之中。即使在白天B-2映衬在蓝天之下时,人们也难以弄清飞机开往何处。B-2排出的尾气极少,所以不会在后面留下明显的痕迹。

如同大部分飞机一样,B-2产生最大噪音的部件是其发动机系统。但是和喷气式客机或者B-52轰炸机不同的是,B-2的发动机是深埋在飞机内部的。这样可以抑制噪音。高效的气动设计也有助于B-2保持安静,因为发动机可以在较低的功率设定下运行。


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发动机系统还致力于最大限度地减少飞机发出的红外(热量)印记。红外线探测器(有些用在热追踪导弹上)通常都会探测出发动机排出的高温尾气。B-2产生的所有尾气都先通过冷却通风口再从尾部的排气口排出。将排气口安放在飞机顶部进一步降低了红外印记,因为敌方的探测器大都是从飞机下面进行扫描的。

B-2轰炸机防雷达探测有两大屏障。首先是飞机的雷达吸收表面。雷达使用的无线电波是一种电磁波能量,类似于光波。某些材料的吸光性很好(如黑色油漆),同样道理,有些材料特别容易吸收无线电波。

B-2轰炸机的机身主要由复合材料构成——即多种轻型材质的混合材料。B-2轰炸机使用的复合材料专为达到吸收无线电波的最优效率而设计。机身的某些部分,比如前部边缘,还覆以先进的无线电吸收涂料和胶带。这些材料非常昂贵,而且美国空军还要定期更换它们。每次飞行任务之后,维护人员都要花好几个小时检查B-2轰炸机以确保它适合完成隐形任务。

高反射性的金属部件,比如飞机的发动机,全都位于由复合材料制成的机身内部。空气流入进气口后穿过S型管道进入发动机。炸弹也安装在飞机内部。起落架在飞机起飞后被完全收起。


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<center>B-2轰炸机的起落架</center>第二道雷达掩护的屏障是飞机的形状。飞机反射无线电波就好像镜子反光一样。一个竖直的平面镜会将你的影像直接反射回到你的身上——你会看见自己。但如果你将镜面倾斜45度角,则镜子会将你的影像竖直向上反射。你看到的就不是自己,而是天花板的影像了。弧面镜也能将光线以一定角度反射出去。如果你将一个激光指示器对准一面弧面镜,则无论你如何改变入射位置,激光束永远也不会被直接反射回指示器的。

隐形轰炸机奇特的外形使它能以两者得兼的方式反射无线电波。飞机上下表面的大片扁平区域正如倾斜的镜面。这些平面能将地面站发来的大部分无线电波反射到别处去,只要地面站不是位于飞机的正下方。

飞机本身也像是一个弧面镜,尤其是飞机靠前的区域。整个飞机没有尖锐的棱角——所有表面都是弧形的,为的是把入射无线电波散射开。这些弧形的表面被设计成能够把几乎所有的无线电波都以一定角度反射到别处去。

B-2遏制自己的无线电信号外泄。这些无线电信号是飞机上的电子设备产生的电磁波能量。当B-2使用自己的雷达扫描器或者与地面部队及其他飞机联络时,确实也发射无线电波,但是它的雷达信号很小而且高度集中,使之不易被发现。

<center>遭受滞销</center>B-2项目刚开始时,美国空军计划购买132架,总费用为220亿美元。到1988年B-2首次亮相时,同一价单已跃升至700亿美元以上。令许多国会议员感到不满意的,不仅是这项购买费用,而且还包括五角大楼已经花出去用于飞机研发的200多亿美元。

到1991年苏联解体时,价格上涨得更高了,而组建庞大B-2机群的需求却有所下降。1993年,美国国会批准五角大楼以每架20亿美元左右的价格购买20架B-2轰炸机。几年以后,克林顿总统批准军方将原先的B-2原型机升级为实用的轰炸机,使总数达到21架。许多人认为这种飞机与其高昂的代价和维修费用不相称,尤其是便宜的旧B-52和B-1轰炸机可以携带更多的炸弹,而且速度更快。目前尚没有向机群增添更多B-2轰炸机的计划。

本来,B-2轰炸机的主要目的是在与苏联发生战事时携带核弹用的。随着1991年苏联的解体,美国军方对B-2功用的定位做了一些改变。它现在被列为一种多用途轰炸机——除核武器以外也被用来装载常规炸弹。


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B-2轰炸机内设两台旋转发射器,它们位于飞机的中心。当任务指挥官准备好投弹时,就向飞机上的计算机发出指令。计算机打开炸弹舱的舱门,将发射器旋转到炸弹的正确位置,然后释放炸弹。

发射器既可以装载常规的重力炸弹——简单落向目标的“无智能”炸弹——也可以装载自动寻找目标的精确制导炸弹。飞机可以携带弹药的总重量约为18吨。

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<center>军火专家指导安装工人在B-2轰炸机中安装载有核弹的旋转发射器。</center>B-2的精确制导炸弹实际上是“无智能”的弹药外加一个单独的制导系统组成的。这套制导装置称为联合制导攻击武器(JDAM),包括可调整的尾翼、一台控制计算机、一套惯性制导系统以及一个GPS(全球定位系统)接收机。B-2先使用飞机上的GPS接收机找到目标。一旦机组人员确定了目标位置,就将GPS坐标输入联合制导攻击武器并释放炸弹。

在空中,联合制导攻击武器的GPS接收机处理来自GPS卫星的信号跟踪自己的位置,同时惯性制导系统监控着炸弹位置的变化。控制计算机负责调整联合制导攻击武器的飞翼从而引导炸弹飞向预定目标。这种精确的瞄准系统使B-2轰炸机投弹后即可迅速逃离现场。这种炸弹即使在恶劣天气下也可以正常工作,因为联合制导攻击武器只需接收卫星信号来定位目标,而不用对地面作任何观察。(有关更多信息,请参见《智能炸弹工作原理》。)

由于B-2轰炸机高昂的价格及其在该领域中的使用经验还不太成熟,它是一种颇受争议的武器。虽然一些分析家把它奉为军用飞机中的巅峰之作,但也有人说它有严重的局限性,比如它的隐形能力高度依赖于天气的好坏。尽管如此,每个人都同意B-2轰炸机是航空技术发展史上的一项重大成果。它当然是一架了不起的飞机。


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