浅析：美军B-2隐形轰炸机的具体设计

浅析：美军B-2隐形轰炸机的具体设计原创温哥华的鱼2020-11-23 15:03:58
在总体布局确定之后，B-2开始进入工程设计阶段，首要任务就是将各类研发风险归零。第一个难题来自复合材料，B-2的翼展达到52.4米，机翼表面积非常大，采用常规的钢、铝、钛材都会过于沉重而失去实用价值。
和很多文章上的说法有些许差别，B-2的翼展和XB-35/YB-49并不完全相同，而是短了152毫米，采用这一长度的翼展只是工程上的巧合而并没有多少技术方面的继承。


> 上图的模型尺寸也不完全准确，不过很好地展现了3种飞翼轰炸机的异同
当时复合材料已经在航空工业中得到广泛运用，空客A320率先采用复材主翼，但机翼主体结构还是铝合金的，而B-2的机翼完全由碳-石墨复材构成，这么大的尺度还从未遇到过。
诺斯罗普和空军共同投资开发了很多新型制造技术：LTV公司负责研究在复材中安装紧固件和喷水切割复材的工艺；波音负责拉挤成形、巨型高压釜、复材结构超声波探伤技术以及最核心的大面积复合材料编织成型技术，包括机翼主体部分。这些大型构件制成后又被拆解进行全面分析，以确认它们能够承载设计的结构载荷。


> B-2的“首飞”是在C-5A的机腹里完成的，其复合材料的机翼和弹舱总成从西雅图波音军机工厂空运至加州帕姆代尔
空军一度打算让波音另行研制一款全铝制机翼，以便在复材不过关时作为替代方案，不过诺斯罗普团队最终证明他们可以设计制造出合格的大尺寸复材结构件，诺斯罗普通过B-2项目获得了全球航空工业中最强大的高压釜产能。B-2的研制推动着整个美国航空制造业向前迈出了一大步，为今后在波音777、787上大规模应用复合材料以及集成式全数字化设计铺平了道路。
B-2是航空史上最复杂的飞机之一，其复杂程度超过F-117的5-6倍。初代隐身机F-117被赋予的任务相当简单，就是作为“银子弹”穿透东欧前线在目标区投掷2枚激光制导炸弹然后回家；而对B-2的要求则要全面得多，从核威慑值班到常规战术轰炸都有涉及。这也反映在两种飞机的航电系统上，F-117作为战术攻击机隐身性就是它的一切，飞机上甚至没有安装雷达；B-2被塞进了全套的电子对抗和轰炸雷达系统，在机体表面集成了众多小型天线阵列，这些高增益天线本身都是强烈的散射源，如何让它们相互兼容并且具备低探测性充满了挑战。座舱显示系统和数据处理也远比今天困难得多，80年代初最快的军用计算机处理器只有512K字节，处理速度慢就只能增加并行运算的处理器数量。


> 总装线上的B-2，机身上分布了很多嵌入式传感器
在消灭所有设计风险后，下一关是如何从图纸过渡到制造。诺斯罗普必须在最严格的安全保密措施下迅速建立起B-2的生产线。冻结状态后，半个美国航空工业都为B-2运转起来：在西雅图，波音公司为B-2的复合材料机翼制造了世界上最大的高压釜和超声波探伤设备；在德州，LTV正在琢磨如何为巨大的S型发动机进气道开发模具；诺斯罗普买下了福特位于大洛杉矶Pico Rivera的工厂并将它彻底推平，按B-2的生产和保密要求重建了整个厂区，B-2的各个分系统都在这里生产组装。


> 注意Pico Rivera工厂园区右下角小公园的形状

最后的总装由位于加州帕姆代尔的空军42号工厂完成，该绝密工厂隶属于空军装备司令部航空系统中心，由爱德华兹空军基地负责管理。


> C-5A机组“偷拍”的B-2总装厂房

【 低空突防 】
早在ATB竞标结束前的1981年4月，美国空军就提出要更改任务需求，探索低空突防的可能性。虽然B-2的初始设计一直着眼于高空作业，Waaland还是给它安装了地形回避系统以便进行低空高速巡航飞行。正式得到加入低空突防能力的方案更改需求后，诺斯罗普回到原点从一张白纸开始重新验证飞机的总体布局。
在评估了包括飞翼、三角翼低空突防构型（1979年8月曾向空军提议过）等多种方案之后，团队确信现有的飞翼设计仍然是正确的方向，不过需要修改许多细节，包括加强机翼机构、增加载油量等，这些改动对内部容积很大的飞翼来说相对容易得多。

> B-2的低空突防三角翼布局方案

这时发生了两件事情。第一件是空军分析师不安地发现苏联投入了新型的防空雷达系统，可能具备了引导战斗机在高空拦截B-2的能力。Kinnu认为面对这样的新威胁，只有转向低空突防才能让苏联的米格-25找不到自己并迅速消耗光燃料。第二件是战略空军司令部提出B-2的低空飞行速度需要接近音速，以提高在极高威胁环境中的生存能力。

在彻底分析了其中的设计风险之后，1983年初诺斯罗普得出了最坏的结论：B-2需要进行一次改动巨大的重新设计。原有的液压控制系统在气流稳定的高空工作正常，但是风洞试验显示在低空强阵风环境中飞控系统将难以胜任，其面对的气动压力达到了超音速战斗机的水平。气动控制面的面积不足，位置也不对，飞行员无法对阵风带来的气流冲击做出迅速而有力的反应。外翼段的气动载荷无法有效地传递给内翼段，在发动机进气道附近会产生多处结构疲劳点。更糟糕的是高攻角状态时飞机很容易失控，因为没有足够的气流让副翼产生舵效。


> 低空飞行中B-2机翼在气流作用下产生的剧烈晃动
要解决这些问题必须更改后整个后部设计，来自NASA德莱登飞行研究中心（现已更名为阿姆斯特朗飞行研究中心）的阿尔伯特·梅耶尔斯率领飞控团队和气动结构团队合作，还邀请了来自霍尼韦尔和NASA兰利中心的各路专家协助建模，分析问题，一起啃下了这块硬骨头。在80年代早期，飞控模型的复杂程度用模型中的层级数标识，常规的飞控设计通常只需第10层，非常复杂的可能达到第12层，而B-2高达110层！
他们将后缘的W型改为锯齿状的双W型，让气动控制面尽量远离气动中心，增大控制力矩。内翼段新增了两块控制面，从机翼折线处（A点）向内一直延伸到后缘末端（B点），并且扩展了每个控制面的面积。为了满足空军提出的低空高亚音速飞行要求，B-2巨大的气动控制面响应速度非常快，F-16的襟副翼转动速度是80度/秒，B-2内侧副翼达到了100度/秒。


针对低空阵风扰动这个特定问题，梅耶尔斯设计了一个开创性的“阵风载荷缓解系统”⑤，它还有一个更好理解的俗称 - “海狸尾”，就是在机身末端安装了一块由飞控计算机控制的五边形扁平可动尾锥，对阵风扰动做出自动补偿，向上下偏转产生反作用力抵消气流的颠簸。这个系统效率非常高，常规的阵风补偿系统（如B-1B上的全动小翼）设计标准是降低阵风气动载荷的10%-12%，B-2在采用了该系统后达到了40%。


> 起飞时处于放下位置的“海狸尾”，和机身接缝处敷有柔性蒙皮进行遮盖

除了飞控方面的考虑，诺斯罗普的结构工程师们还趁着重新设计的机会弥补了许多原始设计上的不足，包括增强机体结构、改进中央机体的气动外形、驾驶舱前移、将进气口从V型改为W型等。所有这些设计的改动集合在一起，极大地改变了B-2的外观和气动布局，新设计显得复杂而优雅，提升了轰炸机的性能，同时也非常昂贵，设计变更估计耗资高达20亿美元。

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721 条评论


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• 专业潜水员s6天前
  
  我国轰20远远超过美国b2，轰20最大航程600000万公里，最大速度130马赫，最大载弹量90000000万吨
  回复 ⋅ 191条回复281
  
  
  
  
  
• 唐是你你5天前
  
  这种新闻不是机密吗？怎么能上传的
  回复 ⋅ 17条回复9
  
  
  
  
  
• 13821971105天前
  
  听说一架快赶上汤臣一品一套房
  回复 ⋅ 49条回复186
  
  
  
  
  
• 原野上的骆驼刺6天前
  
  先进到不像是地球的技术，现在的B21要先进到什么程度？
  回复 ⋅ 27条回复75
  
  
  
  
  
• Ashlegend6天前
  
  图7啥意思？B2的机翼还能像鸟一样煽动？
  
  
  
  

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