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帖子主题:中国暗剑无人隐身超机动战机

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中国暗剑无人隐身超机动战机

中国暗剑无人隐身超机动战机

亮相的“暗剑”无人机全尺寸模型

近日,12年前首度现身的“暗剑”无人机,如今以全尺寸模型照片重新回到人们的视野,显示背后仍有发展动作仍在进行。“暗剑”最早是在2006年珠海航展上公开小尺寸模型,展板介绍其特性为“具有超音速、超高机动能力与低可探测性,主要用于未来对空作战”。

值得注意的是,“暗剑”的气动外形与国外无人机有着极大差异,这显示中国的飞机设计已经走上了自己的轨道。那么“暗剑”为何与众不同呢?今天,北国防务就来说说这事。

△“暗剑”无人机最早于2006年珠海航展亮相,当时说明为一种具有超音速、超高机动性与隐身性能的对空用无人机

自从智能控制技术让无人机实用以来,无人机就成为各国空军的“明日之星”。其主要优点其实来自于三项人类飞行员的缺点:

重量:飞机为了搭载飞行员升空,除了要腾出座舱空间让飞行员可以工作外,还得提供生命维护设施、显示设备、控制设备等等才可以让人类飞行员工作,如果省略人类,就可以省去这些设施的重量与阻力。例如,有些双座战机/攻击机就会藉由省略后座飞行员,塞入油箱来拓展航程。飞行时间:人类由于生理与心理的限制,工作时间不能无限制加长,限制了有人飞机的航程与滞空时间,如果省略飞行员自然可以在油料耗尽前持续飞行。机动性:即便受过训练的飞行员,在抗G飞行服的协助下,也无法承受9G以上的机动。如果省略飞行员,以现代结构技术可以制造出20G以上的机体,其机动性就会超越任何有人战机。

现今的军用无人机大多是利用上述的第一或第二点来发挥优势。至于第三点的机动性,早期美国空军研究无人战机时,曾经构想过一种可以超过人类极限进行机动的无人机,除了用来空战外,也能用来规避防空导弹。不过,后来发展的无人机却都改用隐身性进行突防,这种“超高机动”的无人机构想就被西方束之高阁。

△“暗剑”无人机(上)将进气道设于下方,且有垂直尾翼与腹鳍。强调隐身的X-45A无人机(下)则将进气道设于上方,并取消所有尾翼

例如美国空军资助的X-45计划就是隐身无人攻击机的典型例子,后来也成为欧洲与俄罗斯参考的范本。而“暗剑”机与X-45的设计就有很大的差别:首先,隐身无人机大多会将进气道置于上部,原因是地面防空雷达会由斜下方往上照射,机背进气道能利用机身阻隔雷达波,降低进气道的吸波要求。

然而,有人战机却宁可付出雷达截面积的代价将进气道置于下方或侧方,原因是机背进气道在高攻角容易吃进机身产生的乱流,限制了飞机机动的攻角。而“暗剑”采用的机腹进气道则能用前机身整流,降低气流攻角,显示其重视高攻角的机动性。

其次,隐身无人机多半会省略尾翼,原因是尾翼的前后缘都会对法线方向散射雷达波,而省略尾翼的隐身效果比任何吸波材料都好。“暗剑”机不但有2片大型垂直尾翼,还有2片腹鳍,表示它对横向稳定性有很高的要求,通常也是为了在高攻角或超音速状态维持稳定。

△“暗剑”无人机(上)的前翼似乎是伸缩型式,伸出后可能无法改变倾角,与X-36(下)的全动前翼不同

美国其实也有一些无人机强调机动性,例如波音与NASA合作的X-36。不过,该飞机的原始计划其实是要研究无尾翼有人战机的机动性,因此波音虽然认为前翼对隐身较为不利,但仍加上前翼搭配矢量喷嘴来弥补拆掉垂直尾翼所损失的机动性。而该计划是因为没有足够的预算才以无人机方式进行研究,因此机上仍有“假座舱”来模拟有人机的气动特性;至于其实验目的其实是研究那特殊的矢量喷嘴,而不是发扬无人机的机动性。

△F-14的翼套小翼在伸出后可将升力中心略为拉前,降低超音速的稳定性

“暗剑”无人机也有前翼,不过从模型上观察,其前翼似乎是以旋转方式伸缩的,似乎不能再上下转动进行气动控制。这种伸缩前翼也曾出现在F-14上,其用意是降低稳定性来提升超音速的机动性。因为F-14的可变翼在超音速可后掠到68度来降低波阻,然而高度后掠角加上超音速的升力中心后移现象,会让战机像铅块一样难以转向机动。此时从翼套伸出的小翼可产生抬头力矩来减缓升力中心的后移。“暗剑”采用类似的伸缩前翼显示其对超音速机动性的重视。

△美国的X-24B(左)是高超音速升阻比达到2.5的升力体计划,美国NASA希望这可延长其从轨道重返的高超音速滑翔距离,与扣掉主翼与前翼的“暗剑”无人机(右)相当类似

那“暗剑”机的速度到底有多高呢?如果扣除前翼与主翼不看,其后掠角约80度三角形边条翼与机身融合的构型,搭配外倾垂直尾翼相当类似美国的X-24B升力体实验机。升力体其实就是当前热议的“高超音速滑翔器”,NASA在上世纪60年代就希望能作为轨道重返载具,能直接降落到跑道上而不是用降落伞迫降。

X-24B是升力体中较高速的版本,可以高超音速飞行较远的距离,或者做出大半径转向,因此也有人认为“暗剑”机可以高超音速飞行。然而,“暗剑”机外加的两片50度后掠主翼看不出有伸缩机构,则其产生的阻力就很难让它达到高超音速飞行。

△(1)波音的ExMAN计划是少数强调机动性的无人机,(2)其构想是利用隐身性与瞬间20G的机动性,可以在空战中快速转向而击落多架敌机,(3)其极速虽仅略微超过1.2马赫,但利用飞翼构型的高升力可提升高空(黄色区域)的机动能力,(4)但它需要两台发动机来提供足够的推重比

从外型上来看,“暗剑”机的大比例三角形边条翼加上主翼似乎带来相当大的升力,加上机腹进气与尾翼的特征显示其重视高攻角的稳定性,显示其的确以“超高机动性”为主要目标。

然而,高机动性仍需要高动力才能支撑。例如,波音也提出过一种超高机动性的ExMAN无人机概念,其构想是利用超越人类极限的瞬间转弯在空战中快速斩杀敌机,就能用短程导弹达到高交换比。其50度后掠角与“暗剑”机的主翼相同,但采用飞翼构型可产生20G瞬间机动所需的最大升力。然而,大升力也会带来大阻力,需要极高规格的发动机才能克服。波音规划了2台发动机,其推力必须相当于F-15的F100发动机,但重量只能有6.5成,才能达到其规划的航程与机动性,而这种发动机其实还不存在。

对于“暗剑”机也是一样,从小尺寸模型观察,其发动机不但只有一台,而且喷嘴相当小,后续可能要换装大型发动机才能达到超越歼-20、F-22以及苏-57等最新有人五代机的“超高机动性”。

中国暗剑无人隐身超机动战机

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延伸阅读: 王元姬 张良善 特工学院
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