bst123 发表于 2017-01-29


图:美国下一代战略轰炸机编号已经公布,命名为B-21


一:B-21为何高度继承B-2的总体布局设计?


2月26日,美国空军协会公布了新一代隐身战略轰炸机的概念设计和编号,这种被称为B-21的飞机看起来与现有的B-2轰炸机极为近似。形成这种现象有两个方面的根本原因,第一是B-2目前的气动布局设计所带来的各方面基本性能(包括航程、载荷、隐身能力)优势,仍然足以满足未来的作战需求;第二则是要获得进一步的大幅度性能突破,其成本和技术风险都难以满足美国空军所要求的采购价格和2025年初步服役的时间节点。



图:注意B-2进气、排气都在机翼上表面


B-2轰炸机采用无垂直尾翼的纯飞翼布局外形,采用背负式进气道和扁平喷口设计。这一方面使飞机的构型极为“干净”,在尽可能保持机体表面光滑、连续的同时,将无法避免的开口、凹陷/凸起和缝隙台阶都放到了难以被探测到的机身上方;另一方面又有效借助了发动机的吸气和排气作用,大大减小了飞行阻力并提高了飞机的总体升力表现。


由于兼具隐身、大航程、大载弹量、精确攻击能力;B-2在执行攻击任务的过程中,从来不需要与其它飞机、尤其是不能与非隐身飞机编队作战。在理论极限上,2架B-2的编队就可以执行原来需要49架飞机组成的大型混合攻击编队才能执行的任务。包括16架攻击机(携带精确制导炸弹,打击地面/海上目标),16架战斗机(为攻击机护航),4架专业电子战飞机(压制和干扰对方的雷达探测、通信指挥),8架防空压制飞机(携带反辐射导弹搜索并攻击地面雷达),7架大型空中加油机。



图:按现在主流的防空理论观点,非隐身飞机要具备很高的突防能力,需要达到5倍音速以上飞行速度。然而现在人类还没有开发实用性5倍音速战略轰炸机的能力。


而如果要在B-2基础上进一步显著提升隐身轰炸机的突防能力,下一代型号就必须在隐身能力不降低的情况下,实现持续性的高速飞行能力。然而飞翼布局在超音速飞行上存在着很强的短板——它的舵面很难提供足够的控制能力,而且高速必然带来高耗油率、飞机截面积必须大幅度缩减从而导致内部空间狭小、航程和载弹量大幅缩水、结构难以设计等一系列问题,其设计和制造成本的失控将会是完全无法避免的。



图:B-2极为优越的航程载荷能力,同时来自于两方面:它机翼/机身的大厚度翼型,在亚音速下有非常好的气动效率;足够的结构高度又带来了优越的油箱和弹仓容积以及极佳的结构寿命。如果要做超音速飞翼,这些优点将全面丧失——直到今天,超音速和亚音速性能取值仍然是飞行器设计中不可能完美兼顾的矛盾。


说穿了,美军真正的想法就是现在的B-2太少了,规模上不足以应对中国和俄罗斯军事力量的崛起。在B-2已经停产多年而且价格极为高昂的情况下,他们需要一种廉价的新款B-2来扩充隐身战略轰炸机的装备规模;性能设计上要更适合未来的信息化战争,采购和使用成本上更低,可靠性和出勤率、以及部署灵活性上更高。


二:以美国现阶段的技术水平来说,B-2哪些技术和性能已经落伍?


虽然基本的总体设计上,B-2至今没有过时;但是航空和各领域的工程始终在不断进步,用今天的眼光来看,B-2上不可避免有大量的技术和设备都到了技术寿命的后期。一方面,现在的技术可以做出更好的产品;另一方面,美军要在未来长期保持对于中国和俄罗斯防空体系的压制优势,也必须再次提升隐身轰炸机各方面的作战水平。


在B-21方案中,最先需要改进的就是B-2的航空电子设备。B-2服役于上世纪90年代,采用的电子设备应用技术实际上只能更老——而近30年间人类电子工业水平是在以怎样的速度发展,每个人只要看看手机和电脑都能切身体会到。



图:B-2使用的AN/APQ-181相控阵雷达


虽然在2012年时,B-2花了接近12亿美元更换雷达火控和座舱显示设备、通信系统,但并没有对B-2的航电系统设备进行全面的升级换代。这一阶段的改进使B-2通过新的卫星天线,能够随时全球任意地点的美军指挥官和其它战机进行联系;并且携带SDB-II型精确制导炸弹,能够搜索并打击运动中的目标,然而这样的战斗力升级还不足以满足美军未来的作战需求。



图:维护表面涂料、尤其是密封条,是B-2使用中最麻烦的事情


其次B-2的隐身材料体系也必须完全更换掉。B-2作为突破性的产物,它的隐身设计在当年是难以兼顾维护性等其它方面要求的,这种缺陷在早期非常突出。B-2的复合隐身涂层达到5层以上,并不耐气流冲蚀和雨点的撞击,这使它每一次飞行之后都会因为涂料的剥离和裂纹而导致隐身性能下降,必须在地面进行仔细的检测和喷涂维护。


尤其是在最初批次的B-2上,用于掩盖蒙皮接缝和舱盖的密封条可靠性相当低,在潮湿条件下特别容易出问题(失去粘性、裂纹、剥落)。一些重点部位往往又必须采用多层密封,而只要一层出现问题,常常必须铲掉全部密封材料完全重来,以至于有些地方的密封条一旦失效需要数天的时间。直到后续批次更换涂层材料以后,才将维护时间压缩到几十个小时以内。



图:注意每侧有两台发动机,进气道经历一个很大很急剧的S型弯曲后才连接到发动机前端。4台发动机带来了更高的采购和维护成本。


最后一点来说,B-2使用的F118发动机(F110发动机的无加力燃烧室版本)只能代表美国上世纪80年代的技术水平,其推力大小和燃油效率放在今天已经不能令人感到满意。实际上B-2选择F118的主要原因,是为了不破坏飞翼布局的整体外形,只能选择体积紧凑,发动机直径和长度都很小的型号;而相对于高速飞行性能的F100发动机,F110发动机在亚音速时的推力和油耗表现都更好。


三:B-21在将会采用哪些新的技术?性能方面有哪些变化?


B-2为了满足搜索地面、海上目标,以及控制飞机超低空跟随地形起伏突防的需要,它的雷达有很强的探测和扫描成像能力;但是在对未知地面威胁的感知等防御电子系统方面,美国空军对B-2的性能并不满意——而在进攻性的电子战能力,B-2更是并不具备。



图:B-21的电子战能力将远比F18G咆哮者强大


新一代的B-21将会大幅强化B-2原有的对地/对海探测和扫描功能,形成完整的情报监视侦察能力;并安装大量电子战系统,形成远比F-18G和F35更强的电子战能力——B-21本身是隐身飞机,而且可以容纳的天线尺寸、设备数量和功率等级都远比战斗机要大的多。这使B-21不仅难以探测,而且还能对对手的防空、指挥通信网络形成强有力的压制、干扰、欺骗,能极大的提高自身的生存和进攻能力。


而新一代的表面隐身材料(比如做成聚合物薄膜的形式)除了隐身效果进一步加强外,将会是B-21在维护性和部署灵活性上的关键突破口。由于需要恒温恒湿的机库和大量的专业地面技术人员维护,目前B-2只能部署于非常少的几个特定基地(主基地是本土的怀特曼基地,另外有关岛、英国费尔福德、迪戈加西亚岛三个前进基地);这大大降低了B-2的使用灵活性,尤其是航线的高度固定和重复是相当大的安全隐患。



图:F-35上已经开始采用新的高可维护性隐身涂料,B-21上采用的将会是在F-35基础上进一步完善进化的产品


在新一代抗气流冲蚀、雨水高速撞击的长寿命隐身材料和密封材料投入应用以后,B-21不仅出动能力将远高于现在的B-2轰炸机,而且在摆脱对于特定基地的依赖方面,很有可能做到能对F35进行维护的基地就能维护B-21轰炸机,这将使很多原来针对B-2的预案完全失效。


不过在机体尺寸和载弹量上,B-21很有可能要小于B-2。B-2在研制时,精确制导武器远不如现在发达,因此它的载弹量设计是针对投放无制导炸弹展开的。随着精确制导武器的广泛普及,轰炸机只用更少的炸弹数量,就能一次性攻击比以前更多的目标。



图:不排除B-21采用F-135发动机基础上的改型


在合理的削减一部分载弹量以后(关键作战性能不受影响,比如弹仓容积仍然足以携带超重型武器),B-21可以做的更轻、尺寸更小,并且只需要使用两台新型发动机;无论是结构制造费用、发动机采购和维护费用、飞行燃油消耗,B-21的成本都会相对于B-2出现显著的下降。


目前尚不清楚B-21的发动机选择,但至少不会是美国正在研发的变循环发动机——那对亚音速飞机没有意义。目前来看,既有可能会采用F135发动机(装备F35)的无加力版本,也有可能采用以核心机尺寸合适的新一代商业发动机(给客机、货运机用)为基础开发的新型号。