前段时间,在新加坡航展上,美国JetZero公司公开展示了正在研制的翼身融合飞机模型。
JetZero公司提出的设计的具体方案名为“Z-5”,采用的是“翼身融合体飞机”构型,外形类似海洋中的蝠鲼,翼展约60米且没有尾翼。之所以选择翼身融合飞机构型,是考虑到这种构型隐身性好,且拥有更大升力和内部空间。
值得注意的是,此次翼身融合飞机研发,采取由民用技术向军用领域转化的模式,使其有望未来接替KC-46成为美军新一代加油机,并为取代C-17等战略运输机提供更多选择。
早在20世纪60年代,一些飞机设计师开始探索翼身融合概念。翼身融合,重在融合。这种概念将机翼和机身作为一个整体设计,即融合式布局。
翼身融合概念很快应用于实践,20世纪70年代苏联研制的米格-29战机、美国的F-16战机均采用了机身和边角翼融合设计,以获得更好的气动性能。此外,苏联图-160轰炸机、美国B-1B轰炸机的总体气动布局也十分相似,这些战机通过翼身融合设计,有效提升飞行效益。
传统主流战机的构型,主要由搭载载荷的机身和提供升力的机翼构成,这种设计构型受力集中,结构重量和气动阻力大。而翼身融合飞机的机身与机翼圆滑过渡,阻力大幅度降低,机动性明显增强。
20世纪90年代,B-2轰炸机研制成功,翼身融合概念再次成为世人关注的焦点。军工科研人员将B-2轰炸机的机翼和机身合成一体来设计制造,二者之间的过渡无显著界限。这种设计,不仅拓展了B-2轰炸机的飞行航程,还增加了机身载弹量。也就是说,翼身融合构型能提供更大的内部空间。当装载区由传统布局的桶状机身变为宽敞的大堂式布局,机舱装载体积大幅度提高,可以运输更多大尺寸军用装备,展现出超大型运输机的战场投送能力。
正是看中这一优点,美军将翼身融合概念应用于新型运输机研制中,并计划在2027年前,完成翼身融合运输机全尺寸原型机的测试。若飞行测试成功,美军可能会考虑使用Z-5的一个版本取代C-5和C-17运输机。
近年来,翼身融合概念一度成为全世界航空领域的热点,受到各国科研机构的追捧。英国BAE系统公司此前研发的隐身无人机MAGMA,其外形采用翼身融合设计布局,舍弃了所有的控制面,仅依靠喷气发动机的排气控制姿态,飞行过程中外形保持不变。荷兰皇家航空公司与代尔夫特理工大学合作,研发出Flying-V翼身融合概念验证机。该方案采用V型设计,将客舱和燃料舱都放在机翼里,其燃油效率和气动效率明显优于传统飞机。
凭借气动性能好、结构重量轻、油耗低、可用空间大等方面优势,翼身融合飞机受到广泛关注,各国也不断加大投入力度,进行翼身融合技术的探索积累。
目前,翼身融合的技术优势和广阔前景已得到业内人士肯定。但要实现成果孵化运用,已经投入相关研究的国家面临着不同程度的技术难题。
气动布局设计复杂。翼身融合飞机的外形决定其气动设计将更为复杂。通常情况下,翼身融合飞机翼展尺寸较长、中央机身段尺寸紧凑,导致其抗侧风能力比较差。有些甚至会出现抬头上仰、翻滚等不稳定飞行现象,造成安全风险隐患。由于机身和机翼的融合,科研人需要精准计算飞机的重心位置,重新设计飞行控制管理系统和配套软件,以确保飞机在飞行状态下的平衡。同样棘手的还有舱内布局。短而宽的客舱,会使接近机翼两侧的乘员感受到更强烈的飞机倾斜姿态。此外,应急疏散系统模块设计、空间利用效率等问题都需要解决。
工艺制造难度大。翼身融合飞机的设计通常涉及复杂的曲线和曲面,并要求在制作的完整过程中实现机翼和机身的无缝对接,这需要高精度的加工设施和先进的制造技术。为了兼顾轻量化和强度要求,选择材料要满足飞机飞行时结构受力要求。翼身融合飞机一般会用先进的复合材料,在使用的过程中,复合材料会受到温度和湿度等外因影响,有必要进行特殊的热处理和防腐处理,以保证飞机部件的性能和常规使用的寿命。这些材料的加工,需要特殊的设备和工艺。这样一来,制作的完整过程中的质量控制和精度水准变得尤为重要。
配套设施投资高。如何高效维护保养飞机?如何改造与其配套的机场设施?这些同样是需要解决的技术难题。机体结构的变化,使机场滑行跑道宽度、发动机维修等方面要进行相应调整,辅助设备投资费用同样高昂。从适航性来看,翼身融合飞机在大多数情况下要面临新的适航标准和要求。这需要飞机制造商和航空公司、监督管理的机构等各方密切合作攻关,进行大量研究和测试。在此阶段,要一直改进优化,周期拉长所面临的风险代价不是一般国家可以承受的。
综上可见,尽管多年来翼身融合飞机研发已经积累了大量关键数据和试验资料,但要达到适航标准并不容易。面对诸多技术难题,翼身融合飞机在军事和民用航空领域的应用普及依然前路漫漫。
翼身融合飞机的出现,或许为未来战机设计闯出了一条新路。虽然美空军对翼身融合飞机持乐观态度,但传统飞机依然凭借自身优势占据主导地位。
经过多年发展和一直在改进,传统飞机已经形成了相对成熟的设计和制造体系,技术可靠性和稳定能力也得到了广泛验证。比如,传统飞机便于分段制造,规则的机身容易进行加长、缩短处理,以适应不一样领域需要。传统飞机在安全性能和成本控制等方面的优势,决定了其较高的市场占有率,这给翼身融合飞机的推广造成很大挑战。
传统飞机的机型设计和技术能提供部分与翼身融合飞机类似的性能,为各国提供一些新的选择,如超声速飞机、前掠翼飞机等。以前掠翼飞机为例,其结构能够保证机翼与机身之间更好地连接,并且合理地分配机翼和前起落翼所承受的压力,气动性能可观。前掠翼的结构设计,还可以使飞机的内容积增大,为设置内部武器舱创造条件,飞机的隐身性能同样不俗。
翼身融合飞机虽然有气动性能好、结构重量轻、油耗低等优势,但目前还需要更加多的技术和试验验证。研制一款新装备究竟值不值,需要站在国情角度考虑其投入产出比。对于大多数国家而言,传统飞机已经能满足自身需求,如投入更多资金研制翼身融合飞机,这笔账是否划算有待考量。
说到底,成本问题是传统飞机的优势所在,也是摆在翼身融合飞机面前的“拦路虎”。制造一款新飞机通常分为研发成本、制造成本和维护成本。从研发成本看,翼身融合飞机相比传统飞机的积累经验较少,需要投入更多的研发周期、高精尖人才和先进设备。从制造成本看,制造翼身融合飞机要有高精度的设备、更多的手工制造和定制化生产,将会促进增加成本投入。从维护成本看,有了先进的技术和设计,就需要引进与之配套的维护设备、技术人员以及更复杂的维修程序。
可以说,翼身融合飞机既有广阔的应用前景,又有发展的各种难题。各国需要辩证取舍,选择比较适合自己国家的发展道路。为了在与传统飞机的竞争中实现突围,翼身融合飞机必须在控制成本、制造材料等方面做最优化选择。