为什么B2轰炸机的巡航速度和波音777差不多,却用四台小函道比非加力涡扇,而不是用两台大函道比涡扇?

刘凯伦


因为要隐身啊!大涵道比发动机的正面投影这么大,怎么能降低雷达RCS值呢?


不光是B-2轰炸机,其他所有隐身飞机,以至于要追求低RCS值的普通战斗机和轰炸机,没有一个使用大涵道比发动机的。



大涵道比发动机,不仅因为正面投影面积大,而且暴露的涡轮风扇能够大量反射雷达波,会极大提高飞机的雷达信号。所以,这种能直接看到巨大风扇的发动机天生和隐身性能无缘。



B-2和其他隐身飞机,为了降低雷达RCS值,可以说费劲心力,用尽手段,不惜降低速度、机动性乃至于最大航程等传统性能。像B-2和F-117等隐身机,都还会对发动机进气口上进行特殊设计,比如格栅和弯曲进气道,避免涡轮风扇直接暴露。F-35战斗机还采用了DSI进气道技术,就是在进气口前方设计一个鼓包,能够有效避免风扇直接反射雷达波。当然,歼10和枭龙也都直接将DSI进气道搬了过来,所以都有不错的隐身能力。



陶式防务评论


小涵道比发动机的加速性能好,飞行阻力小,比较费油,而大涵道比发动机则与之相反。B2之所以选择4台F118非加力涡扇发动机,主要有两个原因。

B2选择小涵道比发动机的原因之一:就是因为它是一型军机,而不是民机,对航速,加速性,机动性有一定的需求。

B2轰炸机的最大航速为0.95马赫,一般情况下是达不到这个速度的。F118发动机是F110去掉加力燃烧室之后的形成的型号,说白了也是一款专门为战斗机研发的涡轮风扇发动机。就注定其加速性,泼辣性,响应速度比民用发动机好的多。虽说B2轰炸机对速度的要求不如战斗机,但是作为一型军用轰炸机,对其加速性能也有一定的要求。这在这个方面,F118的优势是GE90-115B无法比拟的。

B2选择小涵道比发动机的原因之二:内部空间小,装不下GE90-115B

波音777客机的GE90-115B发动机的直径过于巨大,达到3.4米。而B2轰炸机带上起落架时的机身厚度为5.18米,除去起落架估计也就不到4米高。要在这么低的机身内部安装直径高达3.4米的GE90-115B发动机,那也太难了。B2轰炸机对隐身性能要求极高,在设计时整体气动布局比较扁平,可以最大限度的减弱正面雷达波的反射。

另外,B2轰炸机还采用了翼身融合技术,从侧面看来,其机体就是一个升力体。而B2轰炸机的最高处到地面的距离为5.18米,越向后过渡越低,直到机身尾部。而4台F118发动机的安装位置距离进气口不远处,这部分的高度是达不到3.4米的,所以根本不可能安装直径那么大的GE90-115B发动机。

可以看到的是,为了装下直径不大的F118发动机,还特意设计了两个高度仅次于驾驶舱的发动机舱,如果要装下GE90-115B发动机,那么仅仅发动机舱的高度就要超过驾驶舱不少,极不利于侧面的隐身效果。由此可知,B2轰炸机没有选择GE90-115B发动机也是很正常的一件事。

安装4台F118发动机也不影响B2的整体性能,作为一型战略轰炸机而言,其航程是必须要足够远的。使用大涵道比发动机省下油是否有使用小涵道比发动机多装的油多,也说不准。所以说,选择小涵道比发动机可以平衡飞机的隐身性能,加速性能,航程就是个不错的选择了。


科技之重


B-2是一款亚声速飞行、飞翼布局的隐身轰炸机,从设计思想上来看,美国的第三代战略轰炸机走的是隐身突防路线,与B-1B、图-160等追求超音速突防的理念完全不同。走超音速突防路子的战略轰炸机,(在当年的技术条件下)只有采用中等涵道比发动机才能够兼顾“超音速和航程”两个基本性能要求,所以B-1B“枪骑兵”采用了涵道比为2.01的F101-GE-102中等涵道比发动机,图-160“海盗旗”使用了涵道比为1.4(也有说法接近2)的NK-32中等涵道比发动机。

▲俄罗斯图-160轰炸机使用的NK-32系列发动机

反观B-2轰炸机,由于要走隐身路线,首要工作就是在确保“隐身”性能的情况下实现较远的航程,所以该机设计为飞翼布局且发动机内埋安装,内埋安装的发动机势必会挤占原本就紧张的机身内部空间,因此要求发动机必须结构紧凑。以当时可供选用的发动机类型来看,也只能在小涵道比发动机的基础上研制符合B-2需求的动力系统(中等涵道比发动机的结构尺寸对B-2来说都有些太大了,更遑论大涵道比)。

▲B-1B轰炸机的发动机安装位置布局,有条件安装中等涵道比发动机

隐身飞机特使的外形结构特征需求

根据现代隐身技术理论,飞机实现雷达隐身的能力取决于“雷达散射面积”(RCS),而RCS又与飞机总体设计有关,飞机的气动外形、结构布局、吸波涂层的不同都会引起RCS的变化。其中,气动外形设计一方面关乎飞机的飞行性能,另一方面又涉及飞机的隐身性能,从隐身方面讲“飞机气动外形结构设计,要做到尽量使入射雷达波不按照照射雷达所处方面反(散)射,使照射雷达接收不到雷达回波”。根据理论分析和现役各种隐身飞机的技术特征分析,气动外形和结构布局对飞机的雷达隐身性能贡献率超过85%,相较而言吸波涂层的贡献就有些“微不足道”了。

▲B-2隐身轰炸机的飞翼布局

综上所述,隐身飞机雷达隐身能力主要是通过气动外形布局实现的,而飞翼式布局、多面体结构、翼面前缘平行布局等都是实现外形隐身的典型气动布局。所以,B-2的飞翼式外形就是在这种条件下诞生的,内埋式发动机舱设计也是为了使B-2的整体外形更为“简洁”,避免雷达波散射,而且为其进气道和喷嘴布置于机身上方创造了条件。

▲B-2的上置进气道和尾喷嘴

B-2隐身轰炸机动力系统设计

通过上文的解释,我们知道根据突防思想的不同B-2选择了隐身突防的路线,而根据雷达隐身理论该机又采用了“飞翼布局和内埋式发动机”的气动外形和结构布局。那么,除了考虑机身空间限制而无法使用大涵道比发动机之外,内埋式发动机结构布局的飞机“发动机直径越大、迎风面积也越大、升阻比越低”。

对于某一特定的飞机气动布局,当发动机最大直径由 1.3m 增加到1.7m时,其巡航升阻比下降 了约18%。

根据Breguet航程公式,在同等条件下,升阻比越低,飞机的航程越短,如下图所示:

虽然从普遍意义上将,中大涵道比发动机虽然普遍比小涵道比发动机油耗率低,而战略轰炸机追求的超越航程恰恰需要“低油耗指标”。但是综合考虑内埋式的机身空间限制、升阻比和油耗率对航程的影响,B-2还是选择了以升阻比增大弥补油耗率提高对航程产生的不利影响。

▲小涵道比发动机与大涵道比发动机外形比较

综合考虑下,B-2采用了通用公司的F118-GE-100小涵道比发动机,这种发动机是在F101发动机核心机的基础上,参考F110-GE-100(F-16使用)发动机研制过程中的一些新技术发展出来的。F118发动机的外形结构与F110基本一致,但是通过将9级高压压气机压比从9.5提升到11,涡前温度从1370℃提高到1427℃,空气流量增大9Kg/s等措施实现军用推力增加0.5%。因为隐身战略战略轰炸机对高速机动特性没有特别的需求,所以去掉发动机的加力燃烧室,从而降低发动机流道阻力,实现在涵道比略微增大、军用推力增加的情况下,燃油消耗率与F110基本保持一致。

▲F110小涵道比发动机的9级高压压气机转子剖视图

内埋式发动机布局

内埋式发动机布局的飞机,(为实现隐身采用的)S形进、排气道的体积和总长度与发动机直径成正比。根据气动效率理论,当S形进、排气道的总长度是发动机进气口直径大约4倍时,才会有较高的气动效率。倘若机选择大涵道比发动机装配B-2轰炸机,那么其整个进排气系统的体积和重量就会大幅度增加,进而对整机的飞行性能、结构强度、隐身特性等指标均会产生重大影响。


▲B-2隐身轰炸机内部结构图

如果仅仅是因为燃油消耗滤这一个指标,就采用大涵道比发动机,其带来的不利影响远大于其优点,同时由于结构重量大增,升阻比降低,航程反而会下降。而且大直径进排气口的雷达屏蔽设计也会趋向复杂化、困难化。总之,对于B-2这种气动外形结构的飞机来说,中大涵道比发动机是不适合的。