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最美黑蝙蝠,YF-23的气动布局解析,兼谈ATF之败
2017-10-22 13:22:00           作者: 大水

尽管是个失败者,没有那架飞机象YF23这样还留有残念,世界各地的YF 23粉丝非常多,很多人至今仍然固执的认为YF23比F22更漂亮,每当美国空军有新的飞机设想时,总有不少人倡议复活YF23或者在其基础上继续发展。到底是什么特质让这么多人念念不忘?

最美黑蝙蝠,YF-23的气动布局解析,兼谈ATF之败

YF23外号黑寡妇,从这个角度看,很像地狱出来的魔鬼黑蝙蝠,锐利冷酷凶残,让人望而生畏

ATF(先进战术战斗机)的空气动力学基础研究始于1976年,在结合前期DRAPA的研究基础上,美国7家飞机公司参与了AIAA组织的未来战斗机的气动布局研究工作,由AIAA牵头,发布设计阶段性目标,投标公司送报研究计划和具体的方案布局,以及实体的模型。

名词解释:DARPA:美国国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency),简称DARPA,是美国国防部属下的一个行政机构,负责研发用于军事用途的高新科技,不折不扣美国高精尖军事黑科技的摇篮,提供各种前沿的无敌脑洞,奇思构想,当然,大部分项目都是失败的,偶尔成功的几个就震动世界,比如互联网就是这个伙计的杰作之一。

AIAA:美国航空航天学会 American Institute of Aeronautics and Astronautics(AIAA),全球最大的致力于航空、航天、国防领域的科学和技术进步和发展的专业性的非政府、非赢利的学会,简单点说,就是欧美航空航天牛人协会,所有先进的航空航天技术都在里面有研究报告,定期解密一批绝密的航空航空技术报告出炉,精品无数,事故教训无数,全世界航空航天领域专业人士人人拜读。

AIAA评议出较有希望或者希望搞清楚优劣的飞机方案分别进行风洞实验,研发费用由美国空军授予。这一研究计划持续了大约10年,有5家公司在计划中坚持到最后,这是首次从顶向下的设计研究计划,也是全球首次在相同的研究条件,参数设定,相同的研究设定点等条件下的定量,定性研究,它为美国的飞机公司带来了大约400个不同的飞机构型的详细空气动力学数据,也同时收获了这些数据的横向对比体系,这是美国经过50年代航空大跃进以后第一次进行规模化的科研活动,它有力的将美国飞机公司的科研水平和原来那些失败的开始逐渐远离国防的飞机公司重新拉回竞争第一线。

诺思罗普从1978年开始同时参与美国空军最重要的三个绝密项目,B2,F117,ATF,这三个计划都和隐身技术有关,很显然,在电子技术领域领先的诺思罗普在这个领域有独特的优势,因此,诺思罗普设计了具有其公司典型发展特点的基础研究平台Tacit blue默示蓝验证机,这是一个非常重要的飞机,它是诺思罗普设计思想的主要架构,默示蓝显示了一系列特征,这些特征在后来诺思罗普的产品中几乎是完全得到发挥,比如接近六边形截面的连续弧形曲面设计的机身,梯形机翼,机翼上有复杂的飞行控制翼面,V形尾,U型发动机喷流槽,这些技术特征在B2,YF23,全球鹰,乃至于最近试飞的Model 401验证机都清晰可见。

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默示蓝验证机,长相怪异,就像玩具,进气道都埋在脊背几乎看不见,机头胖嘟嘟,嘴巴崛起

默示蓝为ATF项目验证了低可探测性加入到战斗机设计的可能性,同时也验证了诺思罗普的梯形翼+V尾的设计相关的飞行控制逻辑和飞行稳定性,可靠性等等。1985年美国空军正式进行技术展示和验证阶段工作,这阶段将从纸面的设计方案中选出两种进行工程建造,最后形成两架相互竞争的验证机。经过激烈的竞争,最后诺思罗普和洛克希德各自赢得这项6000万的合同。

YF23首次展示在1990年6月30日,黑色的飞机,流畅的曲线,不同常规的布局和设计,宛如外星来的神秘产物,一下就抓住了全世界的心。

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YF23一出场,就是一副狂拽酷炫吊炸天的彪悍姿态,震惊了全世界吃瓜群众

YF23气动布局既简单,又不简单。它采用了无尾结构,但是却又不是常见的无尾三角翼的结构,YF23的机翼是一对梯形翼,只是这对梯形翼有很大的前缘后掠角和后缘前掠角,这就很有趣了,从飞机的飞行力学特征上来说,这属于典型的小展弦比平直翼,和F104,F/A-18属于同一类,但是又因为前缘后掠角达到40度,在大迎角时,它又表现出一些中等后掠角的三角翼的特征。平直翼通常很难有机会作为无尾布局出现,因为其根弦一般都较小,襟翼所在位置距离飞机重心太近,而YF23的后缘前掠角也达到40度,机翼根部弦长很大,襟翼位置足够靠后,所以也能象大后掠的三角翼那样提供足够的操纵力矩。

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从腹部看,YF23很像一只肥肥的花蝴蝶,肚皮很宽,机翼很大

YF23机头提供了狭长的边条,机翼属于中等后掠角小展弦比梯形翼,升力斜率,升力系数等都和典型三代机F16,F18相似,但是YF23采用了超低的机翼载荷的飞翼一体化升力体设计,在升力系数和升力斜率相似的情况下,翼载荷仅有三代机的2/3,这意味着飞机会在比三代机小的多的迎角下机动,这时的阻力更小,剩余的推力更大。

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从做个角度看,可以看到锐利无比的机头边条

YF23的总体设计都体现出为了减小阻力的极度优化,为了换取高的超音速升阻比,飞机采用机翼一体化的升力体设计,机翼很薄,相对厚度小于3.5%,机身和发动机都类似于苏27那样以短舱形式附加在机翼上。

YF23为了尽量减小飞机的截面积,采用串列弹舱,利用拉长的机身,将主弹舱和格斗弹舱串列在机身上,它截面积最大的地方仅有进气道进口的一部分和主弹舱,以及少量机身结构,而F22则是整个主次弹舱,整个进气道,还加上部分油箱都堆积在机身中部,YF23的机身截面积分布比F22要好,再加上本身长细比更高,超音速时阻力系数小20%以上,超音速升阻比大15%以上。

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YF23弹仓串联起来,机身显得比较细长,阻力相对较小,超音速性能严重加分

YF23有一对巨大的全动V尾,它外倾斜角度较大,是能同时提供方向和俯仰两个方向配平的,它可以给飞机提供额外的俯仰控制力矩,有利于进一步提高飞机的控制能力和机动性,但是V尾的存在本身是让飞行控制系统变得更加复杂化,V尾的方向动作是需要副翼进行姿态补偿的,不能完全独立发挥作用,而俯仰控制又需要和襟翼进行权限分配,YF23的飞行控制系统相当的复杂,这种复杂到大迎角阶段襟翼的控制失速以后,V尾又处于机身的强下洗流和部分机翼下洗流中,控制的非线性很厉害,所以,尽管飞机在风洞中表现出了60度以上迎角飞行能力,但是在YF23整个试飞的过程,没有展示任何大迎角飞行能力。

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超大型的全动V尾,隐身加分,但是机动性大大减分,操纵过于复杂,负担太重,这是最大的隐患

整体上来说,YF23的气动布局是基于优化超音速阻力和超音速机动性作为设计点的,其本身的气动技术依靠参数也能完全碾压三代机的性能,飞行测试中发现,尽管没有采用推力矢量控制,YF23在亚音速机动中无论是加速,爬升,还是盘旋,滚转,机头指向等等指标,都全面优于伴飞的F15,F16.

YF23的超音速性能特别出色,在验证飞行中,仅有YF23在安装两种发动机的情况下全部超过了设计的超巡速度指标,安装YF120的YF23在未达到设计推力时就甚至飞到了马赫1.6以上(交付YF23的YF120推力较小),在美国空军模拟测试的空战环节中,YF23的隐身特性和超音速特性结合表现异常出色,YF23还表现出很强的超音速机动性。

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YF23:隐身无敌,超巡无敌,真是选美比赛的头号大热门,颜值爆表,学历高,脾气好

但是,YF23毕竟失败了,它败在哪里?

首先是原型机设计的制导思想出了偏差,虽然美国空军是给了6000万,但是洛克希德根本没打算用这个钱来限制自己,YF22的研制和制造花了接近2亿。诺思罗普虽然也自己投入了一部分资金,但是为了降低成本大量使用了现有的货架产品来组装飞机,比如F15的起落架等等,YF23原型机出来时飞机的优化程度是低于洛克西德的。

另外诺思罗普的设计面对空军要求的变化反应速度比较慢,空军取消了反推力的要求后,YF23仍然决定不考虑这个变更,继续按照老要求制造,以至于无法安装有推力矢量控制的喷管,不仅在飞机机动性得分上影响了分数,还在飞机大迎角表现时因为没有推力矢量控制,怕进入螺旋无法改出,不敢演示飞机的大迎角性能。

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反应慢了半拍,没有取消硕大的反推器,造成严重的机动性损失,客户的要求就是圣旨呀!千万拖不得!

最严重的问题主要出现在弹舱的设计和演示上,YF23只设计了一个真实的弹舱,但这个弹舱仅仅只能开门关门,没有实际的挂载,另一个弹舱没有具体做出来,仅仅在飞机示意图上有所表示,而竞争对手在演示飞行中表演了发射AIM9和AIM120,显示飞机的设计研发进度和速度远超诺思罗普。

尽管YF22没有和YF23进行过任何模拟空战,也没有真正意义上的比较极限性能,但是,美国空军确实将两者进行了横向的直接比较,YF22的控制成熟度的优势让飞机在试飞过程的机动性压倒了YF23,YF22表现出了能力,而YF23表现出的仅仅是潜力。

而极限性能方面,因为气动布局的关系,YF22在低速端有相当大的优势,而YF23则在高速端优势明显,美国空军经历了2代机的冒进后对飞机亚音速机动性是近乎顽固的检查,尽管YF23也完全超越空军的设计要求,但是被对手PK下去了也是事实。

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YF22短粗颜值较差,但是亚音速机动性超好,严重打动了越战时期惨遭敌机追杀的老飞行员的玻璃心

压倒YF23的最后一根稻草是诺思罗普的项目管理能力,在B2项目中,诺思罗普屡屡拖延,超期,费用恶性膨胀。ATF验证机中,诺思罗普又表现出计划管理的弱点,YF23的技术成熟度低,整机方案造价比YF22高20-30%,进一步发展需要更多的时间和发展费用,还有很多方面的性能未经验证,尚存在相当大的风险。于是,YF23遗憾的败北了。

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诺斯洛普把B2轰炸机做成2B轰炸机,价格飞涨,一拖再拖,最后130架订单砍成20架,作死的典范

在美国的竞争体系下,非常规的布局在最近30年中很难获得成功,常规布局的低风险总是获得利益的那一个,YF23和YF22的故事最后在X35与X32间又重演了一次。

责任编辑: 蔚 蓝 文章来源:
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