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美国研制斜翼无人机 飞行状态达2倍音速 |
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| http://cn.newmaker.com
6/27/2006 11:01:00 AM
佳工机电网
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 新华网2006年6月26日报道 世间凡是能飞的东西，不论是人造的还是天然的，都具备对称性，否则就难以保持飞行平衡。但是，美军现在就是要造一种不对称的斜翼飞行器，而且，这种飞机飞得更快、更远，油耗更低。一旦成功，这种新式飞机将在未来20年内成为美军隐形轰炸机的主打机型，并将改写飞行历史。
数年来，美国军方都在寻求一种飞机——它能够在敌方领空外徘徊十几小时，静静地等待命令。一旦接到指令，就立即以超音速直扑目标、瞄准目标、摧毁目标。但是，问题在于，凡是能够进行长时间亚音速飞行的飞机，都无法胜任超音速飞行，反之亦然。
代号“弹簧小折刀”
为了解决这个长期存在的空气动力学问题，美国国防部高级研究计划署(DARPA)近日授予诺斯罗普·格鲁曼公司斜翼飞行器研发项目。第一阶段合同为期20个月，拨款1030万美元，要求诺斯罗普·格鲁曼公司进行飞行器的初始设计，解决可控性问题。
这种飞行器被命名为“弹簧小折刀”(Switchblade)，一种可改变翼扫(机翼相对机身的角度)的无人机，既有很高的低速飞行效率，能执行盘旋监视任务，又能执行超音速打击任务。
既是侦察机又是轰炸机
美国国防部高级研究计划署要求诺斯罗普·格鲁曼公司在2007年11月之前绘制出详细设计图，实验机则在2010年推出。初步概念是在单翼下面安装引擎、转轴以及监视设备。这样的设计使得发动机朝向飞行方向的同时，单翼可以旋转。
美国国防部高级研究计划署明确指出，概念性斜翼作战飞机有两大任务：一是情报、监视与侦察任务，要求该机能携带2000千克有效载荷，在18000米高空以亚音速飞行5000海里；二是轰炸任务，要求该机能携带7500千克有效载荷，飞行5000海里。该机的最大速度为2马赫。
巡航时亚音速轰炸时超音速
在巡航状态下，“弹簧小折刀”展开61米长的单翼(不像普通飞机那样是双翼，而是把双翼从中间接合在一起，组成一块翼)，像一架普通飞机那样飞行；但是，当它要突破音障前，它的单翼将旋转60度，形成一个翼尖前掠、一个翼尖后掠的状态。这样的构造重新分配了飞机前部积累的冲击波，有效降低了超音速状态下的波阻力，飞机就进入超音速飞行状态。当“弹簧小折刀”要恢复亚音速飞行时，单翼就再次旋转，使之恢复和发动机垂直的状态。
2010年进行首飞
美国国防部高级研究计划署称，假如一切进行顺利，1/5比例的“弹簧小折刀”示范模型将于2010年进行首飞，该试验机翼展约为12米，全比例飞行器预计于2020年投入使用。
对于“弹簧小折刀”这种无尾翼变掠角飞机，可控性是主要问题。诺斯罗普·格鲁曼公司必须演示该机在改变飞行模式从而大大改变空气动力特性的时候能够保持稳定性。
“弹簧小折刀”试验机将最终验证斜翼飞机计划是否可行，这个问题自20世纪40年代以来就存在争议。如果这架超音速试验机的飞行试验取得成功，斜翼飞机可能成为美空军计划2025年后装备的、具有高速和长航时飞行能力的下一代隐形轰炸机的候选机型。
历史镜像
斜翼飞机真能高速飞行吗？
上个世纪40年代，科学家们认为，不对称翼飞机，或称斜翼飞机，是超音速飞行器的最佳形态。但60年过去了，还没人能造出一架超音速斜翼飞行器。
美国航空航天局(NASA)从20世纪70年代开始进行“斜翼研究飞机”(OWRA)和“艾姆斯·代顿-1”(AD-1)飞机计划，探索了斜翼布局技术，其中后者是由伯特·鲁坦飞机工厂设计的。1979年，“宇宙飞船一号”的创建人伯特·鲁顿曾为NASA设计了一款可变翼飞机，但是那架飞机的斜翼使它很难飞行——当飞行员拉起飞机头部的时候，飞机就开始滚向一边。
现在，五角大楼又开始关注斜翼飞机这一构想，NASA就站出来泼冷水，称斜翼飞行器是难以高速飞行的。
斜翼机：耗油低航程远
斜翼机左右两半翼为一整体，且可绕机身垂枢轴转动，在原理上它与变后掠翼飞机相似。飞机在起飞、着陆和低速飞行时，机翼与引擎成直角，相当于平直机翼，这时翼展最大，诱导阻力最小，升力系数大，起飞、着陆和低速飞行性能好。飞机以超音速飞行时，机翼可绕枢轴转动60度，这时，一侧机翼前掠，另一侧机翼后掠，都可以推迟激波的产生，从而减小阻力，提高升阻比，降低油耗。
斜翼机与变后掠翼机的区别是，当左半翼处于后掠位置时，右半翼则前掠。机翼在斜翼位置时，整个飞机横截面积沿机身轴的分布较后掠翼飞机均匀，近似于流线体，在降低波阻力方面比后掠翼更为有利。
斜翼机左右半翼连成一体，简化了机翼与机身的连接结构，但是固定刚性较差。此外，在斜置位置上左右半翼不对称，还会由滚轴操纵引起俯仰和偏航运动。
早在第二次世界大战中，德国就对斜翼机方案进行了研究。美国也于上世纪50年代开始斜翼机的理论研究，但正式试制还刚刚开始。
斜翼机在结构和气轴特性方面，都比通常的变后掠翼飞机要优越。它的波阻小、噪音小。与后掠翼或三角飞机比较，它的耗油低、航程远。
“弹簧小折刀”能任意改变飞行状态的秘密，就在于可转动的机翼。飞机在起飞、着陆和低速飞行时，机翼与发送机成直角，相当于平直机翼，这时翼展最大，诱导阻力最小，升力系数大，起飞、着陆和低速飞行性能好。飞机以超音速飞行时，机翼可绕枢轴转动60度，这时，一侧机翼前掠，另一侧机翼后掠，都可以推迟激波的产生，从而减小阻力，提高升阻比，降低油耗。
51区的幽灵：“弹簧大折刀”
月黑之夜，一架秘密飞机从内华达空军基地僻静的机库里滑行出来。当它在跑道上滑跑时，基地的警戒灯暗淡下来。在黑暗笼罩下，这架战斗机大小的飞机腾空而起，飞往内利斯轰炸靶场执行训练任务。
这就是传说中的美军秘密多功能飞机“捕食鸟”(the Bird of Prey)，它具有独特的开合式机翼，从而具备了轰炸机和战斗机的双重功能。由于其多功能特性，“弹簧大折刀”被称为“空中瑞士军刀”。有消息说，它将取代陈旧的可变翼机F-111机群。
这种飞机并不是标准可变翼飞机，它采用了一种独特的前掠翼装置。由于机翼能像刀片折叠进刀柄里去一样转动，飞行员们就给这种飞机起了个绰号，叫Switchblade(为了区别于无人机“弹簧小折刀”，我们把这种体型更大的有人驾驶飞机翻译成“弹簧大折刀”)。
“弹簧大折刀”的机翼通过飞机后部正前方的枢轴安装在机身上。机翼完全展开时，飞机可以慢速飞行，以便投掷精确武器或在未经加固的短跑道上着陆。机翼进一步向前掠时，飞机就变成了一个高度灵活的战斗平台。机翼完全前掠时，后缘变成前缘，整个飞机呈三角形，使飞机能以3马赫的高速度撤离战场。
“弹簧小折刀”是一款外部构造简单的无人驾驶飞行器，如图所示，它就是一部引擎，上面驮着一块板(单翼)，下面挂着一个舱(侦察器材或小型炸弹)。根据负载不同，“弹簧小折刀”分为侦察机和轰炸机两种机型，图为正在投弹的“弹簧小折刀”轰炸机。
“弹簧小折刀”的单翼与引擎成直角时，它处于亚音速的巡航状态，“弹簧小折刀”虽然外部构造简单，但内设人工智能电脑，能分析复杂的角度、气流、波阻力等数据，根据飞行动力学原理，调整机身随时处在最佳状态。而且，由于是无人驾驶飞机，不需要考虑飞行员的饮食、休息等问题，“弹簧小折刀”能连续巡航15小时，静静地侦察敌情或等待命令。
DARPA要求7大特性
●非消耗性飞行器，安装有轮子和可回收着陆架，能够起飞和着陆；
●吸气式推进系统；
●速度快过1.2倍音速；
●无尾翼构造，既能进行超音速飞行，也能进行亚音速巡航；
●飞行中能变换翼扫(机翼对机身的角度)，最小30度，最大60度；
●在最小翼扫情况下，纵横比大于等于7；
●最小翼扫情况下，翼展大于等于12米。
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