在纪念中国人民抗日战争暨世界反法西斯战争胜利80周年阅兵中,采用飞翼构型的高端无人机以其极具未来感的外形惊艳全场。在十足的“科幻感”背后,飞翼构型具体有哪些特点和优点?又能为无人机带来怎样的革命性升级?它又将如何重塑未来战场的作战样式?

93阅兵中展示的我军新型无人机采用飞翼构型
优势明显若要探讨上述问题,首先需要弄清楚什么是飞翼。
通常情况下,飞机由机身、主翼、垂直尾翼和水平尾翼等几部分组成,而飞翼布局则截然不同。从外观看,它仿佛将后机身完全“切除”了,自然也就没有垂直尾翼和水平尾翼的安装空间。剩下的前半截机身与机翼几乎完全融为一体,从外观上难以找到二者的分界线,所有机载设备及负荷均“藏”在这硕大无比的一整块机翼中。
显然,飞翼布局这个特点,令整个结构都能产生升力,又去掉了增加阻力的水平尾翼和垂直尾翼,因此升阻比是各种气动布局中最高的,翼载荷也特别低。这意味着,飞翼布局飞机只需较小推力即可升空,特别适宜实施高空巡航,换言之,在同等起飞重量下,飞机采用飞翼布局可以获得更大的航程。
早在二战前,人们就着手探索设计飞翼飞机,但当时有很多问题难以解决。例如,如果飞翼布局飞机的飞行姿态发生较大变化,导致升力中心(压力中心)移动较大,那么它就不容易在俯仰方向上保持稳定。当时的飞翼前缘平直,升降舵靠近重心,导致操纵力臂很短,因此操纵效能远不及常规布局飞机。即使是在水平飞行时,尽管所需配平力矩很小,升降舵仍须偏转较大角度,从而明显增加了配平阻力。
战后,随着航空技术发展,很多此前的难题得以迎刃而解。更重要的是,随着飞机战场隐身性能渐成刚需,人们发现常规布局的飞机,无论是采用固定翼面加舵面的高大垂直尾翼,还是相对低矮的全动垂尾加腹鳍,哪怕垂尾再怎么内倾或外倾,都会增大战机的侧向雷达反射截面积,对隐身十分不利。而飞翼布局的飞机完全取消了垂尾和平尾,外形异常简洁,尤其是飞机下表面几乎是“一马平川”,能有效避免由下方射来的雷达波顺原路反射回去或形成漫反射,因此隐身性能极佳。
为进一步提高飞翼布局飞机的隐身性能,这类飞机的进气道通常会安置在机翼上表面,并令整个进气道在垂直方向上呈“S”形。如此一来,当雷达波经进气道射入后,会出现多次折射,进而导致信号强度急剧衰减。即便有部分雷达波被反射回去,其微弱的信号强度也容易被雷达接收机当成杂波过滤掉。不过,这样设计进气道,当飞机迎角增大时,进气畸变将明显加剧,继而限制飞机机动性。为缓解进气畸变问题,设在机翼上表面的进气口需要尽量往前移到接近机头位置。但如果进气道过长,又可能会因“S”形不够曲折而降低其隐身效果,因此需要权衡得失。
将进气道移至机翼上表面的另一大收益,是设计师可以从容地在机身中轴线的下腹部设计内置弹舱。由于无须与进气道争夺空间,内置弹舱的容积可最大限度地拓展,从而能够容纳尺寸更大的重型机载弹药。

美军B2轰炸机采用进气口上置可大幅拓展飞翼布局
以往,常规布局隐身战机的机尾,尤其是尾喷口不太好进行隐身处理,即便采取了相应措施,其后向隐身效果也不尽如人意。参考B-2隐身轰炸机的成功经验,飞翼布局飞机发动机喷口可深置于机翼之内,并附加蜂巢结构,以屏蔽从后方射来的雷达波,而且能较为方便地将流经飞翼表面的冷空气导入飞翼内,为发动机燃烧室和喷口外表面持续降温,最终的气流出口可与飞翼后缘做一体化设计,呈宽扁状,从而进一步削弱红外辐射强度。
传统布局飞机根据速度要求可采用不同翼型:若只要求低速飞行,可采用平直翼设计;全程高亚声速飞行,机翼设计适合中等后掠角;若大部分时间处于超声速飞行状态,机翼前缘就得设计成大后掠角。但机翼前缘后掠角的存在,会导致升力中心随速度上升而后移,而飞翼布局飞机本身气动控制力矩短,纵向控制方面本就复杂。若翼展较大,大后掠角可能导致翼尖后缘大大超过机体中线尾端,进一步加剧飞行控制难度。如果不解决这些问题,就只能限制机翼前缘后掠角度,继而影响飞行速度的提升。
目前,飞翼布局飞机多采用设在翼尖的开裂副翼解决偏航控制问题。不过,开裂式副翼机械结构复杂,重量较大,而且正常飞行时为保持足够的控制灵敏度,开裂式副翼也得保持一定的开度,这不仅会增加飞行阻力,还会影响隐身性能-当雷达从后方照射飞机时,工作中的开裂副翼就是一个明显的角反射器。
如今,一种新的解决方案已然出现:放弃开裂式副翼,改以普通副翼配合全动翼尖。当飞翼布局飞机需要产生向左的偏航力矩时,飞控系统控制左侧副翼偏转一定角度,同时令全动翼尖动作,抑制飞机的横滚趋势。全动翼尖动作时所产生的阻力,会对形成偏航力矩有加持作用,效果十分显著。这个技术解决方案对飞机后向隐身性能的破坏程度,也比开裂副翼要低得多。
潜力颇大尽管目前已问世的飞翼布局战机多为造价不菲的高端型号,但飞翼设计对于无人机而言同样具有重要价值。
从起源来看,无人机在某种程度上脱胎于航模。进入新世纪后,随着航空科技的进步及战场需求的牵引,无人机研发与应用得以突飞猛进。从多轴无人机、无人直升机,到扑翼无人机、复合翼无人机,均有实用或试验型号涌现,可谓百花齐放、百家争鸣。这些不同气动布局的无人机固然有望满足一些特殊场合的特定需求,但在飞行速度、有效载荷及航程上,普遍不及固定翼无人机。
而固定翼无人机亦分“三六九等”。目前,追求轻便、省油、航程远、滞空时间长的固定翼无人机,多采用螺旋桨推进。其缺点是飞行速度和实用升限较低,在高烈度作战环境下生存能力堪忧。要想在这两项关键性能指标上有所突破,固定翼无人机就必须采用喷气式发动机。但如此一来,喷气式发动机油耗相对较高的特点,又会制约无人机航程和滞空时间。
在这种情况下,高端无人机采用飞翼气动布局的优势就凸显出来了。飞翼布局升阻比极高,而且内部空间大,有利于多装燃油,飞行阻力也小。反过来说,在同等航程下,采用飞翼气动布局的无人机,付出的结构重量和燃油消耗量最小,体量也可以做得相对小一点。

网传的歼50采用的正是“兰姆达翼”
可别小瞧这一点。方兴未艾的无人机若要挤占有人机的市场份额,仅凭“无需顾忌飞行员伤亡”这一优势仍然不够,还得在性价比方面令客户怦然心动才行。在同等技术水平下,无人机也好,有人机也罢,其造价会随体量的增长而水涨船高。也就是说,在能满足技战术要求的不同设计方案中,飞翼无人机方案体量相对较小,具备将造价压至最低的潜力。
此外,飞翼无人机拥有同等体量下相对最大的机内空间,因而非常适宜设计成无人加油机。再者,其机腹是面积巨大、平坦而又连续的平面,特别适宜贴面安装预警雷达天线阵面,从而规避寻常飞机因表面曲线而导致的雷达波发生畸变的难题,大大减少了雷达后端处理系统的工作量,加之飞翼无人机特别适宜中高空长时间巡航,未来一旦突破了机载电源供电功率不足这一瓶颈,它也特别适宜改装成高空无人预警机。
由于此前服役的飞翼布局战机多为高亚声速飞机,因此有观点认为飞翼无人机不适宜高速飞行,这或成为其一大劣势。实际上,飞翼无人机速度快慢,与翼型选择密切相关。带有宽大的前缘边条、机翼前缘大角度后掠、机翼后缘大角度前掠的三角翼是最适合高速飞行的选择。这种翼型在保证低阻力的同时,确保了有足够大的机翼面积,而且有利于雷达隐身和放宽静稳定度设计。宽大的前缘边条不仅能在大迎角时拉出涡流,增大机翼升力,而且在高速飞行时能起到气动配平作用。气流在机翼上表面加速,形成上下表面的流速差,造成气动升力。
随着飞行速度增加,上表面气流加速时间延长,速度分布从前高后低转向中高后低,使得气动升力中心后移。与此同时,飞机重心基本保持不变,这就形成了随速度增加而增加的低头力矩。
近年来逐渐兴起的“兰姆达翼”,机翼后缘呈内凹锯齿状,是传统的菱形翼和后掠翼的融合体,可视作在菱形翼的基础上,缩小翼展,降低翼根弦长,然后在外侧加一对大展弦比的后掠翼。这种翼型在增强雷达隐身效果的同时,还增大了机翼的展弦比和升阻比,提高了机翼气动效率。由于结合了菱形翼和后掠翼各自优点,“兰姆达翼”的设计很灵活,既可以设计成前缘小后掠角+大翼展,极大提高亚声速升阻比,也可以设计成前缘大后掠角+小翼展,最大限度地降低超声速阻力,还可以灵活调整后掠翼和菱形翼之间的结合部,在巡航经济性和高机动性之间寻求最优平衡。
由“兰姆达翼”衍生出的曲折翼,其机翼前缘大角度后掠,机翼后缘小角度前掠,机翼外段为小角度后掠翼,同样具有很高的升阻比,升力中心和重心的相对位置也容易控制,因而也极有可能成为飞翼无人机的候选翼型之一。

美军X-47B无人机采用飞翼布局大幅提升飞行速度
未来可期在未来战场上,飞翼无人机可能会在哪些领域大展身手呢?
可以肯定的是,随着战争形态演进,无论是陆地战场,还是海洋战场,及规避措施;二则哪怕是低轨道侦察卫星,其分辨率也受轨道高度的局限和大气扰动的影响。在此背景下,高空长航时飞翼无人侦察机大有可为。
在中低烈度战事中,面对缺乏高空防空能力的对手,飞翼无人侦察机可侧重提高升限和滞空时间,不必过度追求速度。但在高烈度对抗中,为保障生存能力,飞翼无人侦察机必须改用高速翼型设计,以实施高空高速穿透侦察,在必要时还可实施低空、超低空抵近侦察,获取侦察卫星和高空无人机难以掌握的高精度、高实时战场情报,并引导己方作战平台实施超视距打击。
在战场态势掌握方面,预警机仍有不可替代的作用。不过,传统预警机自卫能力弱,通常部署在由己方战斗机掩护的浅近纵深内,大大压缩了对敌方纵深空域的情报掌握范围。目前已经出现的预警无人机仍是传统构型,其尺寸限制了机载预警雷达天线阵面面积,而且飞行高度仍嫌不够高。如果设计出雷达天线阵面贴面安装在机腹,且实用升限远高于目前主流预警机的飞翼无人预警机,不但上述问题将迎刃而解,而且其居高临下,发出的雷达波照向此前隐身战斗机甚少强调优化隐身效果的机背,将有可能在新一轮“隐身-反隐身”对抗中占得上风。
空中加油是另一个重要应用方向。传统加油机与受油机在加油过程中均处于脆弱状态,故加油作业只能局限于己方严密保护的浅近纵深空域。飞翼无人时、高精度情报作为超远程精确打击的前提,其作用将越来越大。很多人以为侦察卫星无所不能,但一则卫星存在重访周期问题,而且其过顶时间可以被对手预判并采取相应的加油机就不一样了,因为其隐身性能好,又无人员伤亡之虞,故可前出为各类有人机、无人机增加续航能力,从而让己方战术规划变得更灵活。在突发情况下需要为战机紧急补油时,飞翼无人加油机往往成为唯一的选择。
察打一体任务也将因飞翼设计而获得提升。当下,各种察打一体无人机早就满天飞了,但都是低速、低机动平台,在高烈度战场上缺乏生存能力。俄乌冲突伊始,土耳其TB-2无人机曾短暂地战场扬威,但在俄军野战防空系统全面展开后便风光不再了。而飞翼察打一体无人机或飞翼无人攻击机,凭借其超强的隐身性能,即便在低空以高亚声速飞行,仍拥有足够的突防能力和战场生存能力。其超大的机内空间和相对较小的翼载荷,能令其在保证隐身性能的前提下,拥有尽可能大的载弹量。虽然比不上有人机“炸弹卡车”的载荷规模,但作为“空中隐身爆破手”还是很称职的。
在与有人机协同方面,“忠诚僚机”由于成本控制需要,其最高飞行速度难以和第五代、第六代隐身战机并驾齐驱,即使采用飞翼布局也难以完全弥补这一差距。但喷气时代以来,尤其是隐身战斗机出现后,传统长、僚机之间的编组距离不断拉大,这为飞翼隐身无人机提供了适配空间:它没必要与有人长机同方向、同步进入战区,完全可以采取前出部署、迂回协同的方式担当这一角色。

TB-2无人机的战场生存能力不高
作为“忠诚僚机”时,飞翼隐身无人机不仅可以为长机“站岗放哨”“递刀子”“挡枪”,还能成为“尖兵”,排查威胁、前出“摸哨”,起到开路先锋的作用。如果供电功率足够,飞翼隐身无人机还能承担电子战支援任务,利用其隐身优势先于长机前出至高威胁地区,对敌实施隐蔽的电子侦察,或者抵近实施电磁攻击和干扰反制,帮助己方空中力量达成作战目的。毕竟,在电子战领域“距离为王”,电子侦察的灵敏度和电磁干扰、压制的效果随距离的缩短而急剧增长。
印巴“5·7空战”的结果表明,未来空战将以在预警机的引导下、在高速加密数据链的支持下实施超视距攻击为主流。因此无人机近距离格斗性能不足、机载决策系统面对极其复杂的格斗局面时不如人脑好用的担心,已经不再是问题了。当然,飞翼隐身无人机投入这样的空战,靠地面远程遥控肯定是不行的,需要接收己方有人长机或预警机发来任务指令,由机载AI辅助决策,解决自动识别目标难题,由人工智能生成自主攻击方案,再付诸实施,甚至还可以在完全掌握空情的情况下隐蔽前出,伺机伏击敌机。
此外,飞翼气动布局的低翼载和高升阻比这两大特性,也使其具备极强的上舰适配性。不过,翼展过大会影响起降作业,这就要求对舰载飞翼无人机的最大翼展做出限制,继而影响到其最大起飞重量和最大航程,且较轻的机身也会对侧风影响更为敏感。可即便如此,飞翼构型仍较其他类型的气动布局有诸多优势。而且已问世的舰载飞翼无人机已充分证明,以目前人类的科技水平,完全能以较低代价解决其舰载适配难题,因而其发展前景十分广阔。