飞机气动设计分析报告

飞机气动设计分析

——由图-22M和B-1B浅析现代超音速轰炸机设计

SYXXXXXXXXX

一、超音速轰炸机简介

众所周知，轰炸机是用于从空中对地面或水上目标进行轰炸的飞机，具有载弹量大，飞行距离远的特点。飞机开始投入战争后不久，便出现了专门用于对地面实施轰炸的轰炸机。一二次世界大战期间，轰炸机得到迅速发展和广泛使用，以美国B-17、B-29为代表的全金属四发重型轰炸机的出现是轰炸机发展到新水平的标志，这时的轰炸机载弹量可达8至9吨，航程在5000公里上下。战后，航空进入喷气时代，轰炸机也不例外，在现代喷气式轰炸机问世以来的50多年里，轰炸机的发展已经经历了三个明显的阶段（如图1所示）：

图1 喷气式轰炸机发展的三个阶段

第一阶段是上世纪60、70年代出现的亚音速喷气式轰炸机，以苏联图-16（我国轰六的原型）、英国的三V轰炸机(“胜利”、“火神”、“勇士”)、美国B-47和B-52等为代表。这一时期，飞机设计上的主要特点是以喷气动力取代螺旋桨动力，首先解决的是有无问题，在飞机的外形和结构设计上与之前的螺旋桨动力轰炸机并无较大区别。这类轰炸机由于飞行速度较慢，雷达散射截面积较大，在完整的现代防空体系面前不堪一击，突防能力较弱，但到目前为止仍有很大一部分的亚音速轰炸机在各国空军服役。

第二阶段是上世纪70、80年代出现的超音速轰炸机。超音速轰炸机往往采用了变后掠翼设计，解决了超音速轰炸机研制初期如B-58轰炸机遇到的速度与航程间的矛盾，这一阶段的代表是美国B-1B和苏联图-160、图-22M等。超音速战略轰炸机的出现使得战略轰炸机的突防能力大大增强，打击能力也相应提高。

第三阶段是上世纪末出现的隐身轰炸机，使轰炸机的战场生存能力和威慑力得到更大的提高。目前，隐身战略轰炸机只有美国的B-2一种。

可见，超音速轰炸机的出现是为了弥补亚音速轰炸机飞行速度较慢且无隐身能力的缺点，从而实现超音速突防，快速抵达攻击范围或目标上空实施打击。对于典型的战术轰炸任务，超音速轰炸机往往首先在正常飞行高度以亚音速巡航，到达突防区域时以略高于1的马赫数（1.1-1.5）进行低空或超低空飞行，利用地形或如B-1B本身所具有的一定的隐身能力规避雷达跟踪，依靠高速和防空系统反应时间突防，飞抵目标上空时减速至亚音速投弹。因此，超音速轰炸机需要兼具较好的亚音速巡航能力以及超音速飞行性能，同时还应具有一定的低速机动能力。这使得超音速轰炸机出现初期遇到了瓶颈，美国的B-58轰炸机（图2所示）具有超音速飞行的能力但由于其气动设计并未兼顾巡

航性能，航程大大折扣，往往需要在机身下挂载副油箱解决问题，使其有效载荷减少，最终只能作为单枚核弹的载机而不能执行常规轰炸任务。在可变后掠翼出现之后，航程和速度之间的矛盾就有了很好的解决方法，轰炸机可以在亚音速巡航时用较小的后掠角，较大的展弦比获得较大的升阻比增大航程，在超音速突防时用较大的后掠角减小波阻。

不约而同地，几乎所有的超音速轰炸机都采用了可变后掠翼的气动布局。

图2 B-58轰炸机

下面，本文将对图-22M和B-1B两种超音速轰炸机的气动设计进行分析，探求二者气动设计上的异同。

二、图-22M的气动设计分析

2.1.机型简介

图-22M“逆火”轰炸机是苏联图波列夫设计局在图-22“眼罩”基础上进行了极大的改进设计出的超音速变后掠翼中型战略轰炸机，图3中的是最新型的图-22M3。图-22M 和图-22的改进之处主要是采用了可变后掠翼，改用楔形状二元进气口以及更换了发动机，改变了发动机的安装位置。图-22M既可以进行战略核轰炸，又可以进行战术轰炸，设计目的之一便是携带大威力反舰导弹，远距离快速奔袭，攻击美国航空母舰编队。目

前图-22M3是俄罗斯战略轰炸及反舰艇作战核心组成部分之一，我国也曾有意向引进该型飞机。

图3 图-22（左）和图-22M（右）

以下是图-22M的详细参数。

机长42.46米；翼展(后掠角20°)34.30米，(后掠角65°)23.30米；机高11.08米；机翼面积165平方米；最大起飞总重124000千克；燃油重量53560千克；正常武器载荷12000千克；最大载荷24000千克；最大平飞速度(高空)M2.17，(海平面)M0.9；实用升限18000米；实用作战半径2200公里；实用航程7000公里；起飞滑跑距离1920米；着陆滑跑距离1250～1450米，机组成员4人。

下图是图-22M3轰炸机的三视图。

图4 图-22M3轰炸机三视图

2.2.气动设计分析

2.2.1.整体布局

图-22M采用可变后掠翼正常式布局，下单翼，机翼内段固定为翼套，外段可变后掠，翼套下设有挂架两侧各一，可外挂两枚大型反舰导弹。双发两侧进气，进气口为楔形二元进气口，两台发动机并列装于后机身。水平尾翼为倒T型，位于后机身下方，单垂尾，垂尾前缘中段有明显弯折。起落架可收放前三点式，主起落架为多轮小车式，每侧主起落架有串置排列的三对机轮，其中有一对与后两对的间距要大一些，主起落架向内收入机腹内。前起落架为双轮。

2.2.2.机翼

图-22M机翼为悬臂式下单翼，最大的特点便是可变后掠，外翼段后掠角可变，在20°到65°之间有4个角度可供手动选择，分别为20°、30°、50°和65°。其中，20°后掠角模式主要用于飞机起飞和降落；30°后掠角模式用于爬升和亚音速远距离巡航飞行；50°后掠角模式用于超低空突防时使用；而60°后掠角模式则是在超音速巡航时使用。另外，如图5所示，其机翼转轴较靠外，位于最小后掠角时的33%翼展处，内翼段翼套面积较大，后掠角为60°，这种设计虽然减少了机翼掠动时压力中心的位移，但可动段面积较小，却削弱了可变后掠翼的优点。翼套不得不兼顾机翼大后掠角和小后掠角构形之间的外形变化，这样不仅减小了机翼展开时能达到的展弦比，增加了诱导阻力，而且还限制了最大实际后掠角，恶化了低空高速区域的性能。

图5 图-22M的可变后掠机翼

图-22M机翼可动段的前缘有全翼展前缘缝翼，后缘外段有较小的副翼，内段设有分为三段的单缝富勒襟翼。由于图-22M为超音速飞机，机翼相对厚度较小，因此仅有布置单缝襟翼的空间，无法容纳布置双缝襟翼需要的收放机构。靠外侧两段襟翼前面有一组