无垂尾的飞翼布局如何改变航向

飞翼布局是一种飞机设计布局方式,主要特征是飞机外形呈现出一个整体的大翼展形状。没有明显的机身和常规的尾翼结构。这种外形兼顾了良好的隐身性能和较高的气动效率,美国空军研制的B-2轰炸机是典型的飞翼布局。

图1  B-2轰炸机

常规外形的飞机在飞行过程中,依靠机翼上下气压差(机翼上气流速度大,气压小,机翼下部气流速度小,气压大)将飞机托起。飞机垂尾上的方向舵在飞行员操纵下产生偏转,使气流对垂尾产生侧向力,从而产生偏航力矩,实现航向的改变。垂尾与副翼、升降舵等操纵面相互配合,协调工作,以更精确的控制飞机的航向和姿态,但是无垂尾的飞翼布局如何改变航向的呢?

图2 开裂式阻力方向舵

诺斯洛普和波音公司联合麻省理工学院为美国空军研制的低探测性飞翼B-2轰炸机,绰号"幽灵",它利用开裂式阻力方向舵(split drag rudders,SDR)进行航向控制。它的机身后侧有一对裂开式翼面(又称减速板-方向舵),当需要改变航向时,根据飞行控制指令,通过机械传动或其它方式使单侧SDR展开,另一侧SDR闭合,左右翼附近产生非对称阻力,从而产生偏航力矩导致飞机偏转;当两侧SDR同时开裂时,可以用作减速板;同时还有一种预偏差动控制方法,基于迎角反馈的开裂式阻力方向舵预偏差动控制方法,可以改善开裂式阻力方向舵的非线性特性,解决操纵舵反效问题,增强无尾翼飞机低速飞行时的航向控制性能。

图3  X-47B舰载无人机

X-47B是一款无尾的舰载无人验证机,它是历史上第一架无需人工干预,完全由电脑操纵的无尾翼、喷气式无人驾驶飞机。从它的外形来看,具备尾翼、襟翼、扰流板,可以像B-2轰炸机那样利用差动压力控制偏航,同时,X-47B的尾喷管中间有一个竖着的可动的隔板,可以调整喷流方向,利用射流效应(康达效应)产生侧向力来改变航向。这种矢量喷口在很多战斗机中都有应用,例如俄罗斯苏霍伊公司苏﹣35战斗机装备了具有矢量喷口的117s发动机,F-22战斗机也使用了扁平的矢量喷口,相对于圆形喷嘴有效降低雷达和红外信号。

随着飞翼技术的不断进步,飞翼布局飞机在隐身性能、高升阻比、无人化趋势方面有广阔的发展前景,有望在未来的航空航天领域发挥更重要的作用。(文/陈晓萌 图/互联网)