气动设备举例

日前在头条上有一位ID为“华夏我兔”的作者发布了一篇微头条，认为H-20可能根据实际需求进行了重新设计，将隐身、大载弹量、机动性的指标整合起来，给出了我国“战略轰炸机”H-20可能的气动布局的多个设计方向，最后认为H-20的气动布局可能会是其中三种。

隐身、大载弹量、机动性整合后的H-20

这位“华夏我兔”的简介是“北大英国双硕士，尘封历史探寻者”，从介绍来看是一位历史类创作者，不过从发表的内容来看，大都是军事类，是否专业并不能看领域，还是要从内容方面去分析，他关于H-20的说法主要从如下几个方面的理由：

1、以J-20举例H-20架构可能会大改

J-20的副总师王海峰表示J-20曾推倒重来，早期的J-20采用传统封闭式架构，各子系统对应装备相对比较固定，如果要升级，可能要调整机身结构，甚至可能要重新风洞测试。

但目前的J-20采用的是全新开放式架构，整机软硬件都预留更新升级空间，未来更换相当方便，为此不惜首飞推迟1年，机电管理系统与飞控系统研发团队开足马力、加班加点，高压工作持续了数月，最终完成了艰巨的任务。

2、H-20到底会改成什么样？

作者表示H-20也经历了同样的过程，H-20之所以迟迟不露面很可能是根据实际需求进行了重新设计，将隐身、大载弹量、机动性的指标整合起来。最大不同是外形变化，美军B2和B21的飞翼构造不再是H-20必须参考的指标，理由有如下几个：

• 雷达技术发展的今天，飞翼布局已经无法摆脱锁定；
• 飞翼轰炸机的载弹量受到限制；
• 修长机身与展弦比很可能才是H-20的气动布局；

根据这些理由与得出的观点，“华夏我兔”罗列了目前在网上已经存在的多种H-20可能的CG图片，得出一个结论，图7、8、9很可能就是未来H-20真正的气动布局：

上图是笔者将“华夏我兔”微头条中列出的所有图片，已经按顺序编排，连水印都保留了，尽量让大家领会作者的意图。

作者认为7、8、9很可能是未来H-20的气动布局图，但笔者将上图中列出的飞行器归类一下，基本分为两类：

• 1、亚音速气动布局：1、2、3、6、7
• 2、超音速气动布局：5、8、9

所以7、8、9是无法归类的同一类飞行器的，因为亚音速飞行器和超音速飞行器已经属于两个范畴，战斗机的作战任务必须要跨音速飞行才能完成，因此要考虑亚音速机动与超音速机动两大课题，轰炸机却也同样必须根据作战任务来设定气动布局。

另一个必须要搞明白，气动布局与机载设备架构是两个问题，因为两者并不矛盾，比如B-21设计成封闭式架构或者开放式架构，跟气动布局无关，只和模块化设计有关。

高音速还是亚音速：航程成问题关键

目前全球各国的轰炸机中，有亚音速，比如美国的B-2和B-21以及B-52以及中国的H-6等；也有超音速轰炸机，比如美国的B-1B和俄罗斯的Tu-22M以及Tu-160。从气动布局来看，亚音速轰炸机有航程远载弹量大的优势，超音速轰炸机则有突防速度高，生存能力强的优势，也有两者结合的，比如美国的B-1B和俄罗斯的Tu-160都属于变后掠翼轰炸机（F-14是变后掠翼战斗机）。

在巡航亚音速飞行时使用大展弦比的平直翼，升阻比高，比较节省燃油，而在突防时比如在投弹后需要迅速离开战区，那么将平直翼收拢到后掠翼角度，或者最大后掠角，然后开启超音速模式快速脱离交战区，赶在敌方战斗机或者导弹抵达前离开危险区域。

变后掠翼轰炸机优势是非常明显的，但缺点也显而易见，因为变后掠翼的翼盒结构比较复杂，重量也很大，并且还可能在使用中出现故障，比如一侧被卡住左右气动不对称的这种情况，另外成本与维护费用都比较高，目前主流轰炸机都不再采用变后掠翼机型。

H-20选择亚音速大展弦比飞翼布局的理由

早期轰炸机都属于亚音速，冷战时期出现了超音速轰炸机，到了冷战中后期，随着雷达与电子技术的发展，极致的隐身化成了大趋势，典型的代表就是美国的B-2轰炸机，这个气动布局不是拍脑袋想出来的，有着非常量化的需求。

飞翼布局的优势：RCS小、内油航程高

最早的飞翼布局来自二战德国的Ho-229，而将飞翼发扬光大的则是诺斯罗普公司，B-2就是该公司的巅峰之作，其设计思想就尽可能缩小RCS（雷达散射面积）的情况下尽量增加航程与载弹量。

飞翼布局的飞行器表面光滑，机身与机翼没有明显的区隔，首先在减少RCS就是一大优势，因为对于电磁波来说突起、明显的结合部位等都是回波的重灾区；另一个则是整个飞翼的机翼面积很大，可以布置大量机翼油箱，这对飞翼轰炸机的航程有极大的帮助。

还有一个则是取消了垂直尾翼，这也是RCS的重灾区，不仅会增加正面RCS，也会大幅增加侧面RCS，取消了垂尾后RCS大幅下降。

另外发动机背置也是隐身措施的重要手段，正面利用机体迎角挡住发动机的叶片镜面反射，尾部则是利用机体背部的气流降低排气的红外特征，降低地面或者空中机载光电探测设备搜索到红外特征信号的概率。

结合机体表面各种开口的隐身设计，再加上隐身涂料加持，飞翼类飞行器的RCS比常规布局的飞行器RCS至少要小1~2个数量级，如果要设计隐身轰炸机，那么飞翼一定是首选，但飞翼也不是没有缺点，比如B-2也存在不少问题：

• 1、载弹量相对偏小
• 2、飞控系统相对比较复杂

B-2最大起飞重量为170.6吨，但它的载弹量为23吨，荷载比在13.5%左右，我国的H-6K的最大起飞重量为95吨，但载弹量也达到了15吨，荷载比达到了16%左右，两者相比，B-2比例略小，但必须要清楚B-2的载弹量和航程之间作了一个平衡。

真正的缺点是B-2的飞控系统比较复杂，因为取消了垂尾的B-2没有尾舵控制偏航，必须要飞行员不断使用机翼两侧减速板修正，当然这显然是不可能的，B-2使用的是电传操作系统，使用计算机根据传感器的数据不断修正避免偏航。

目前除了电传飞控外还有射流级飞控，这是利用发动机中的高压气流利用狭缝控制喷射方向的原理来取得和气动控制翼面相同的作用，要比利用减速板修正更优秀，并且还可以代替襟翼增升等多种控制翼面，简单的说就是目前飞翼飞控选择余地比以前更多。

飞翼机型、发动机背置的气动布局机动性还是比较差的，不过轰炸机也不追求机动性，所以这个并不算是缺点。

H-20选择超音速小展弦比布局的理由

在开始讨论这个问题之前，先来了解下展弦比，这是一个空气动力学上的专用名词，早期的展弦比值得是宽高比，因为当时的飞机机翼是一个长方形，以翼展和翼弦长的比例，因此被称为展弦比，但后掠翼使用后这个方法就不好用了，改成用为机翼的翼展平方与机翼翼面积的比值：

太复杂的东西我们不需要去了解，简单的理解就是小展弦比是高速型飞行器，大展弦比则是低速飞机，比如运动飞机、超轻型飞机以及运输机和客机和亚音速轰炸机等。常见的飞行器展弦比大致是这样的：

• B-52轰炸机展弦比为6.5；
• U-2高空侦察机展弦比10.6，
• 全球鹰无人机展弦比高达25

越是大展弦比的机型越是适合低速飞行，上文中列出的三种飞行器都是长航时，大航程的远程飞行器，特别是全球鹰，它的航程超过2万千米，滞空时间达到了35个小时。而小展弦比则适合高速飞行，以下为常见小展弦比机型：

RQ-4全球鹰

• F-22的展弦比为为2.3左右，最高速度为2.25马赫；
• J-20的展弦比为2.2左右，最高速度为2.2马赫；
• SR-71黑鸟侦察机的展弦比为1.939，最高速度为3.3马赫；

J-20和F-22之间的略微差异是发动机关系而非展弦比，因为J-20的WS-10C发动机与F-22装备的F119发动机还是有不少差距，SR-71的展弦比已经小于2，速度也达到了3.3马赫。那么H-20的机型又是多大的展弦比和多高的速度呢？

假设以“华夏我兔”中8和9图的CG图中的机型，来大致计算下展弦比，然后再来看看这两种机型的适合的飞行速度大致在多大范围：

• 图-8的展弦比大约为（机身按升力体概略计算）：1.86
• 图-9的展弦比大约为（机身按升力体概略计算）：1.64

图-8的气动布局展弦比和SR-71差不多，图-9的展弦比居然低至1.64，看起来仅比我国的WZ-8无人侦察机的展弦比略大一些：

WZ-8的数据也是挺恐怖的，这架飞行器的最高速度可达6~7马赫，最高飞行高度可达50千米，不过这架飞行器使用的是火箭动力，不过气动布局与展弦比依然是可以参考的，据此判断，图-9的飞行器速度很有可能是超过4马赫的，在这种状态下，能使用的发动机就不多了，因为目前的发动机基本无法工作在这个区间。

高音速飞行器有哪几个要求？

我们当然希望H-20可以4马赫的高音速飞行（一般超过5马赫才能算高超音速），这个速度是目前现役飞行器中难以企及的，对飞行器的要求主要有如下两个：

• 1、小展弦比高速气动布局；
• 2、适合高音速推动的发动机；

小展弦比上文中已经简单介绍过了，这里主要介绍下适合这个区间飞行的发动机，笔者首先要告诉大家，4马赫是一个过渡速度阶段，大部分发动机都难以工作在这个状态，目前主要有两种发动机比较成熟：

• 1、涡喷发动机；
• 2、冲压发动机；

涡喷发动机比较适合工作在高速阶段，但它最合适的工作区间也只是在1.5~2马赫左右，再高就有问题了，因为经过进气道预压缩到涡轮机压缩后空气过热反而会膨胀，这会又两个结果，一个压气效率下降，另一个则是导致核心机温度过高。

SR-71的J58发动机是通过变循环模式将压气级多余气流直接导入加力燃烧室，让加力燃烧室可以持续燃烧工作，但速度在达到3.3马赫左右后就很难再上升了，目前有一种预冷技术，将进入进气道的空气先冷却，从而达到更高速工作的目的。

另一种是冲压发动机，这是利用进气道激波压缩的原理工作的，但4马赫左右会遭遇和涡喷类似的问题，经过进气道激波压缩的空气温度过高，已经影响燃烧室稳定工作了，需要切换到超燃工作模态，但这个速度下超燃模态工作又不稳定，所以要尽快跨过这个速度，到5~6马赫范围就稳定了。

但亚燃和超燃冲压都需需要组合发动机，因为这些发动机无法零速度启动，而涡喷需要预冷才能逼近4马赫，结构还比较复杂，不太适合轰炸机，剩下可能就是爆震发动机，这种可以零速度启动并且可以直达高超音速的发动机非常适合飞行器，就目前而言，爆震发动机（脉冲、旋转、斜爆震三种）中的旋转爆震是最接近实用状态的，但即使如此，还没有全球哪国公开的消息宣称爆震发动机已经实用化。

速度与航程：最终只能选择一个

最终还是回到一个问题上，H-20在没有公开之前，确实存在很多种可能，但H-20有其特殊使命，必须能威胁到迭戈加西亚以及夏威夷甚至美国本土，美国在上述这几个位置都有基地，中途还可以空中加油，但中国轰炸机却不能，内油航程最好能威胁美国本土并且还能返回：

假设H-20携带射程超过3000千米的巡航导弹，从东北某机场起飞，那么它的作战半径必须要达到5000千米以上，这样才能抵达北太平洋中部发射巡航导弹威胁美国本土。那么折合下，大家很快就能算出航程必须超过10000千米，与B-2当初的航程目标并无二致。

小展弦比的轰炸机高速机型在航程上有所局限，就目前所能达到的技术体系框架内，大航程与高速度是无法同时满足的，因此从笔者的角度判断，“华夏我兔”微头条中判定的图-8和图-9的可能性极低，采用亚音速飞翼的可能性更大一些！

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