四代机基本知识4-进气道之XB70女武神的哀伤

（图文并茂）四代机基本知识4－进气道之XB70女武神的哀伤进气道故事之XB70女武神的哀伤40多年前，天空中曾经翱翔过一个神物。她虽然重250吨，但她却藐视重力法则。其身若浩瀚之原，其翼若垂天之云，其形若离弦之箭，怒翅而飞，于2万3千米高空，持续以3马赫速度呼啸而过，神游于天地。弹指一挥间，跨过雄伟山脉，掠过广阔平原，穿越茫茫大漠，背负青天，飞越洲际。凭借自己澎湃的力量，她施展乾坤大挪移，把风转化成比原先强大数百倍，数千倍甚至上万倍的冲击波，置于脚下，以排山倒海之势，乘波而去。她，就是世界上第一种实用的乘波飞行器―――XB70女武神轰炸机。她是3马赫的一个传奇，她是当时人类科技的神作，她带给人们太多的惊叹，不仅在于其非凡的技术，更在于那次让无数人瞠目的事故。。。。。。起因XB70计划始于1955年，当时美国空军希望有一种高空，远程，能以3马赫速度冲刺的洲际轰炸机，能够投掷核弹或常规炸弹，打算用来替换B52轰炸机。波音和北美航空分别递交了他们的方案，两个方案的飞机都超过450吨重，都能进行3马赫冲刺。但空军觉得太大了，使得原先放置B52的机库和相应的设备都放不下他们。美国空军最初招标时给项目的代号叫：武器系统110（weaponsystem110）。这是最初北美航空公司的方案，怪模怪样，尤其是机头部分，与其说是鸭翼倒不如说是鸭嘴，像某个中学生的课堂涂鸦作。最外侧两个是巨大的油箱，为飞机提供巨大的航程，到达战区前，把外面的两个翅膀丢掉，减轻重量。外面翅膀丢掉后，飞机轻快了，作战勇猛了，就好像圣斗士星矢里的阿瞬，要想提升小宇宙的能量，就得先把身上能脱的东西统统给脱掉。然后进行3马赫冲刺，抵达战区，投下核弹，最后开溜。但这飞机只能进行3马赫冲刺，不能进行3马赫巡航。到1957年9月18号，空军重新制定了要求。要求能以3.0到3.2马赫的速度长时间巡航，能飞到2万3千米高度，航程168940公里，并限制了重量不能超过222吨。这样原先两家公司的方案都被退回了。之后两家公司都重新设计了方案，然后在1957年12月23日，北美航空公司中标，次年的1月24日获得合同，2月份这飞机正式被定命名为B－70女武神。北美航空的工程师给军方人员观看B－70的模型。1号机下线第一架XB70A在1964年5月11日首次公开展示。人们第一眼看到他的时候都被她所震撼到了，她的外形在那个年代是那样的超凡脱俗。在之后的9月21日进行了首飞。有意思的是，苏联的米格25原型机也在同一年进行了首飞，仅仅比XB70提前了半年。整个60年代，是属于3马赫的时代。点击查看大图：飞机虽然64年才首次出厂公开，但早在2年前，美国空军就已经制作了些花边消息发布给公众看了，来吊足大家的好奇心。这么个庞然大物进行3马赫巡航，他必然有他的绝活，设计人员在他上面可动了不少脑筋。点击查看大图：女武神的发动机吊舱十分的显眼，几乎占了总长度的三分之二。点击查看大图：女武神共有6台涡喷发动机，按3＋3的配置吊挂在翼下的两个吊舱内，两个吊舱合并为一体，从外面看如同只有一个吊舱。这样飞机的表面积就能减到最小，减小摩擦阻力。投弹舱刚好夹在两个舱的中间。这张图是她的右边进气道，5号发动机跟6号发动机中间有一个水平裂缝，是女武神1号机在进行第12次飞行时被打伤的，当时飞机正进行2.58马赫巡航。点击查看大图：这是受伤的5号发动机，看她的发动机叶片，伤痕累累。当时XB70在2.58马赫巡航途中，飞机上一块蜂窝结构的表皮突然脱落，被吸进了右边进气道，导致6台发动机中的4台熄火。后来尝试了几次点火后，这5号发动机终于再次转动，给本已瘫痪的右进气道提供了点推力，最后飞机靠3台发动机返回地面，而剩下的3台完全报废。这张照片下方，还能看到日期，是65年5月7日返回后拍的。点击查看大图：后面的6朵菊花整齐排列，霸气十足。工作人员正在更换第五号发动机。点击查看大图：她的进气道非常的庞大，非常的长，数名工作人员正坐在里面躲猫猫。光进气道后部的扩压段就有16.76米长。16米是个什么概念呢？武汉最新的铰接式公交车就是16米长。点击查看大图：被戏称为“手风琴”的武汉最新巨无霸公交车就是16米长。但注意，16米仅仅是她进气道后部扩压段的长度，如果把一个完整的进气道和发动机都都算进去的话，女武神完整的吊舱长度大约有两辆这种公交车的总长。。。。。她的进气道不仅长，而且非常复杂，要能够满足3马赫的巡航，她的增压减速法方法自然也是大手笔。点击查看大图：点击查看大图：女武神的进气道俯视图和侧视图，她是一种混合压力进气系统。最末端的3台发动机由于间距过大，前面还设置了两道斜板呈不同角度摆放，好让气流能刚好对准发动机的压气机一对一的送气，不让这“三兄弟”抢食吃。前面介绍的被打伤的部位，就是这隔板。每个进气道的喉部都有大量可活动的斜板，用来调整喉部的截面积。进气道后面还有6个放气门，放气门大概在发动机的前上方，并从垂直尾翼的前缘把过高的气流放出去。飞行时靠喉部的斜板和后面的放气门共同作用，来不断调整进气道喉部的宽度和扩压段的气压，来调整末激波的位置，好跟发动机的进气量匹配，使女武神在各个速度下都达到最优化。进气道附面层吸附系统在喉部，是多孔的网格结构，从机腹下泄放出去。XB－70共建造了2架，分别为XB－70－1和XB－70－2。1号机采用手动/半自动进气感应控制系统，2号机则是全自动。手动控制的系统需要正驾驶和副驾驶的共同操作，正驾驶控制发动机，副驾驶控制气流感应系统。手动模式下，副驾驶同时控制喉部宽度和放气门的开闭。半自动进气模式下，副驾驶只负责控制放气门而进气喉部的调节则自动反应。全自动模式下（2号机）进气道的喉部调节跟放气门操控则全部自动化。进气道的工作情况通过各种参数显示给幅驾驶员。点击查看大图：在亚音速的时候，副驾驶员调整隔板使得进气喉部的截面积最大化，紧闭后面的放气旁道门，好让里面气流的压力最大。在1～2马赫飞行的时候，调整隔板使得喉部开始收缩，进气口前的斜面会产生多道斜激波来增压减速，末激波也会在进气口前方形成。末激波跟斜激波交汇的地方会有滑面，所以末激波会在进气唇前方一点点，好让滑流流走。点击查看大图：而在超过2马赫之后，进气喉部继续收缩。而此时激波会因速度的增加而角度后倾，之后会打到进气唇的外壁并反射。但她最外端的首道斜激波都保持在进气口外，如果首道斜激波也打到进气道内的话，一旦控制不好，进气道内因有太多的反射激波系，压力过高会直接把进气道给撑爆掉，飞机就直接在空中炸开了花。女武神的进气道内，末端的正激波靠喉部越近，总压恢复系数越高。但这并不总是稳定的，如果进去的流量多了，过高的内压会使正激波往前移。一旦发生后，这种不平衡会加剧并导致把正激波一口气直接推到进气口外，这样瞬间就会有大量的压力损失，还会增大进气阻力，飞行不稳定，推力下降，这被称之为进气道无法启动。这就有点类似于SR－71黑鸟的进气道，只不过黑鸟是调节尖锥，女武神是调节喉部宽度和放气门。通过细心的控制进气喉部的大小和放气门的开闭，让正激波待在一个设计区域，就能维持稳定并保持高的总压。但另一方面，如果末端正激波移动的太靠里面的话，又会有新的问题产生。由于激波被严重推迟出现，属于一种超临界状态。这时候由于来不及减速增压，发动机叶片容易打滑。而且正激波太靠后，直接越过了喉部的边界层泄放区域，边界层就又开始出现并会跟正激波相互干扰产生紊流，紊流流入发动机后一旦控制不好飞机就会振喘甚至失速。而后面放气门的开闭同样非常的重要。虽然可以通过控制斜板的收缩来调整前端的斜激波，但它们对末端正激波是无能为力的，所以调整末激波的重任就落在了进气道里面的放气门上。原理非常的简单：关闭放气门时压力升高，迫使正激波往前移动；而打开放气门，“漏气”的进气道压力下降，正激波就被迫向下游移动。由于3马赫飞行时，依靠激波减速后获得的气流压力是绰绰有余的，这样只需调整放气门开口的大小，就能调整正激波的前后位置。因为XB70不仅速度的跨越区间大，要能从0速度一直到3马赫速度，而且还要能飞行到2.3万米高空。高空的空气稀薄，所以不同情况下遇到的气流性质变化很大，需要副驾驶员不断的去调整前面进气喉部的大小和后面放气门的开闭。看来这个副驾驶员的工作还是挺累人的。点击查看大图：现代战机都采用全自动化控制，台风的放气门在机翼机身的中部，那个被熏黑的洞口就是放气门。时间长了，就被熏黑了。点击查看大图：F－22的放气门在机背，平时关闭，并作了隐形处理，成了锯齿状，把强散射源变成弱的尖劈散射。点击查看大图：女武神的驾驶室，其实要判断正副驾驶员的位置很简单。看哪边的操纵更复杂，哪边的参数仪表更多，那就是副驾驶员的位置啦，右边的一瞧就是个副驾驶室的样。其实1号机设置成手动/半自动有一个很重要的原因就是要采集各种飞行数据。因为XB70对空军而言是个全新的玩意，各种数据只能靠试飞员自己的经验去判断，去调整，去收集。即使到了今天，有了强大的电脑帮助，但真正的实际飞行情况，变幻莫测，最终还是要依靠试飞员自己，这就是试飞员的价值。每一个优秀的试飞员，都是一个国家极其宝贵的资产。XB－70的驾驶舱本来准备有4个位置的，正/副驾驶员，领航员和投弹手。但由于经费问题，飞机出来后只保留了正/副驾驶员的位置。点击查看大图：女武神的弹射座椅也是很别致的，是全封闭的座舱。她的弹射座椅设计指标是要求能在3马赫下逃生，所以要用这种全封闭座椅。不然飞行员在3马赫下赤膊弹射，早就被迎面而来的3马赫气流给拍扁了。而且这座椅在后来的一次重大事故中，起了关键作用，拯救了一个飞行员的命（咳。。。咳。。。另一方面，由于可靠性不高，也同时害了另一名飞行员的命）。压缩升力（CompressionLift）的首次应用要让这么个轰炸机进行3马赫天空飞是个非比寻常的工程，体积，重量一上去，难度就直线上升。北美航空公司的工程师们首次采用了一个全新的概念，也是女武神的独门绝技――压缩升力。正是凭借压缩升力，使得女武神成为了独一无二的乘波飞行器，让她在人类众多的飞行器中始终占有浓重一席。她犹如漫长黑夜中的一座灯塔，给人类今后的高速飞行器设计照亮了方向，指明了一条道路。这种现象是由NACA（NASA的前身）最先发现的，他们的研究为女武神的3马赫巡航奠定了基础。由于气流在高速时是种可压缩气流，当飞机高速飞行时，它机翼下的尖锥状机身会把高速气流推向两边，使得翼下部分的气流被压缩，压力增大因而显著的增加升力，这样机翼就无需做的非常大，还能减小阻力。点击查看大图：更进一步，如果把外段的机翼向下翻折，把这股高压兜住，压缩起来，不让它向外溜掉，效果就会更强。飞机就骑在自己产生的高压激波上，依靠这股激波，把自己托起来。想象一下，你叉开双腿骑在马背上的姿势，这飞机也是如此，叉开裤裆，双腿加紧。只不过你骑的是马，而飞机骑的是激波。激波沿着下翻机翼还有股向下的趋势，增升的效果更强。这种布局把压力更好的利用起来，所以它比一般机翼的效率提高了近30％。点击查看大图：依据增压升力概念设计出来的飞机布局。点击查看大图：图中的虚线是女武神3马赫高速飞行时，进气道前唇产生的第一道激波的走向。它刚好搭在外唇上，提高了里面的总压恢复。而这道激波继续向后延伸，会在机翼后面的某点开始流出去，可翻折的外翼刚好在那个点开始向下翻，把激波兜住，不让它溜出去。然后任你激波在下面翻江倒海，我自坐你上面，骑波而去，悠哉快活。点击查看大图：女武神在起降的时候，外翼呈水平。大约跨音速的时候向下翻25度，超音速时向下翻65度，她的外翼是无法向下翻到90度的。事实上，翼尖下翻还有很多的好处，下翻的翼尖能增加垂直方向的稳定性，相当于垂直尾翼一样。超音速时气流被压缩导致升力中心会向后移，翼尖下翻能减小三角翼后部的翼面积，这样就能减小后面的升力，使得升力中心更靠近飞机的重心，维持飞机的飞行稳定。而且女武神把所有起落架，炸弹舱，油箱，进气道等全部集中在机翼下的尖锥吊舱内，使得尖锥吊舱的容积大大的，对激波起更好的压缩作用。正是因为这些设计特点，使得女武神拥有所有飞机中最优秀的升阻比。点击查看大图：风洞的测试也充分显示了使用增压升力的可