Стивен Лиддл рассказывает об удивительно длинной истории, которая привела к первому полету самого совершенного тяжелого бомбардировщика, который когда-либо видел мир.

Первый полет совершенно нового боевого самолета – особенно пилотируемого – в наши дни случается нечасто. Если мы рассматриваем американские тяжелые бомбардировщики, то последними до этого месяца были Northrop B-2A Spirit, выпущенные в 1989 году. До этого B-1 в 1974 году предшествовали B-58 и B-52. , оба в 1950-х годах. Такое случается нечасто, поэтому потрясающе освещенные детские шаги нового Northrop Grumman B-21A весьма интересны.

Продукт проекта бомбардировщика с передовыми технологиями под кодовым названием Senior Ice, B-2 был представлен вскоре после F-117, и вся концепция малозаметности была официально признана. Внимание неизбежно было сосредоточено на кажущемся волшебстве «невидимости» для радаров, но низкая наблюдаемость — это набор приемов и технологий, повышающих живучесть. Ограничивая способность противника обнаруживать и атаковать, свобода действий значительно увеличивается. В 1980-е годы, когда холодная война все еще была в самом разгаре, прошло два десятилетия с тех пор, как излюбленным методом проникновения в грозные системы противовоздушной обороны другой стороны стала миссия «Хай-Ло-Хай». Путь к цели считался жизнеспособным только в том случае, если была принята тактика на малой высоте и с учетом рельефа местности. Помимо действий противника, они были опасны для экипажей существующих тяжелых бомбардировщиков, адаптированных к новому режиму. Как однажды сказал мне член экипажа B-52G ВВС США: «В Персидском заливе мы пересекли границу на высоте 250 футов. Минимальная высота выброса составляла 300 футов». По крайней мере, у него было катапультируемое кресло; Как хорошо известно, трем членам заднего экипажа V-бомбардировщиков ВВС Великобритании пришлось прибегнуть к маловероятному спасению вручную.

Бомбардировщик, которому не нужно (чрезмерно) беспокоиться о том, что противник может попытаться с ним сделать, может избежать этих ловушек, но также воспользоваться преимуществами соответствующей физики. Если бы он мог летать на оптимальной (большой) высоте, то дальность полета значительно увеличилась бы, поддерживая идею глобального охвата и смысл существования бомбардировщика ВВС США. Если обгон обороняющихся истребителей по скорости тоже считался менее актуальным, то аэродинамическая эффективность дозвукового самолета еще больше увеличила дальность полета. Однако, в то время как B-52 и Vulcan, соответствующие этой философии, могли иметь аэродинамически доминирующие конструкции, те самые технологии, которые могли позволить создавать высоколетящие дозвуковые бомбардировщики в поздней холодной войне, оказали сильнейшее влияние на внешнюю форму. Высота, препятствующая визуальному обнаружению с земли, а также затрудняющая радиолокационное наведение и последующее поражение, должна была аргументировать свой приоритет в наборе инструментов LO.

За четыре десятилетия, прошедшие с момента создания B-2, дела должны были измениться, и это действительно произошло. B-21 знаком, но это явно не то же самое. Как человек с профессиональным интересом к аэродинамике, но не связанный с оборонной аэрокосмической промышленностью, я развлекался, пытаясь выделить кое-что из того, что я видел на нескольких доступных изображениях. Я не утверждаю ничего большего.

Выдающееся, фундаментальное различие в конфигурации между новым B-21 и предыдущим B-2A Spirit, показанное даже на ранних рендерах Northrop Grumman примерно в 2015 году, заключается в более простой форме задней кромки. Фактически, буква «W» нового самолета, в отличие от «зуба пилы» старого, была знакома конструкторам и в начале 1980-х годов. В то время как B-2 начинал свою жизнь как высотный бомбардировщик, идеи ATB как в ВВС США, так и в ATB колебались между чистой оптимизацией в пользу проникновения на высоту 60 000 футов и сохранением модного акцента на удары на малых высотах. Был ли это план малозаметного FB-111 или B-52? Запрос предложений (RFP), который стимулировал первые исследования конструкции, требовал количественной оценки «последних» возможностей конструкции высокого уровня выполнять миссию низкого уровня, если потребуется, но без изменений в конструкции, чтобы помочь этому. Ситуация изменится в апреле 1981 года, когда появится запрос на модификацию, предусматривающий добавление значительных возможностей малой высоты в качестве «…разумной защиты от постоянно меняющейся и назревающей радиолокационной угрозы, действующей на всей территории Советского Союза». [i] Другими словами, учитывая, что «Стелс» совершенно не проверен в эксплуатации, а даже если бы он был проверен, а его долговечность под вопросом, могли ли ВВС США позволить себе поставить все свои фишки на черный ход?



Концептуальный проект Northrop, около 1979 г. (Гриффин и др.)

Миссия по проникновению на низком уровне сразу же добавила около 10 000 фунтов к ожидаемому весу конструкции «бумажного» проекта высокого уровня. В свете того, что произошло после, стоит отметить, что стоимость самолета тесно связана с его весом.

Хотя планер увеличил вес, чтобы соответствовать новым требованиям к прочности, с точки зрения усталости и качества езды больший акцент был сделан на аэроупругих эффектах. Инженерные работы показали, что большая часть энергии поглощалась при первом изгибе крыла. В базовой конструкции линия узла проходила по запланированным подвесным рулевым поверхностям. Одновременно искались пути улучшения баланса между несущей в передней и задней части крыла несущей коробкой; 70% и 30% соответственно. В окончательном проекте был представлен массив поверхностей управления IB, между которым и набором OB проходила линия режима. Это означало, что аэроупругим изгибом можно было активно управлять путем противофазного срабатывания двух комплектов. Основная работа по смягчению порывов ветра была в руках мощной центральной панели управления, которая работала с сенсорными системами, чтобы направить самолет в местный вектор порыва ветра и минимизировать его эффект с помощью «очень агрессивной системы управления полетом, которая предназначена для обеспечения значительного улучшение качества езды и снижение нагрузки при полете по контуру на малых высотах». [ii] Результатом стала знакомая форма, наблюдаемая сегодня, которая существует только для того, чтобы адаптировать B-2 высокого уровня к суровой среде низкого уровня. С другой стороны, при исследовании реакции самолета на боковые порывы было отмечено, что форма летающего крыла «…достаточно мала в вертикальном измерении, чтобы ее можно было считать плоской, а отсутствие вертикальных поверхностей, гондол, или внешние накопители значительно снижают его чувствительность к боковым порывам ветра». Так что все было не так уж и плохо.

Что это говорит нам? Не так просто сказать, что B-21 предназначен только для высокого уровня. Хотя изменения в плане B-2 были вызваны миссией низкого уровня, существовали и другие способы содрать шкуру, и за прошедшие четыре десятилетия как структуры, так и управление продвинулись вперед. B-2 был зашкаливающим с точки зрения доли композитной конструкции, которую он использовал на тот момент, когда он был спроектирован; из этого не обязательно следует, что структурные режимы B-21 следуют той же схеме, что и его предшественник.


B-2 Изменения в форме плана посредством разработки и добавления требований низкого уровня, около 1983 г. (Гриффин и др.)

B-2 и B-21, очевидно, также разделяют общую стратегию малозаметности, заключающуюся в использовании острых параллельных кромок под углом к ​​траектории полета и плавно изогнутых поверхностей. С точки зрения крейсерской эффективности острые передние кромки не были положительным моментом из-за потери переднего всасывания и, следовательно, плохого отношения подъемной силы к лобовому сопротивлению аэродинамических профилей. В начале 1980-х годов новый дозвуковой самолет, не учитывающий LO, неизбежно должен был использовать сверхкритическую форму крыла с относительно большим радиусом передней кромки, толстой передней частью и заостренной задней кромкой для кормовой загрузки. Компромисс между аэродинамиками и инженерами LO был достигнут после того, как последняя группа смогла показать, что сохранения острых кромок в центральной части и законцовках должно оказаться достаточным. Это очень очевидная особенность B-2, если ее все-таки заметить. Интересно, что из изображений, увиденных на сегодняшний день, гораздо менее ясно, что он был установлен на B-21. Это, конечно, более тонкий подход, но необходимость выравнивания более острой передней кромки по встречному, восходящему потоку в носу снова привела к характерной форме «клюва». Потенциально, это пример развития технологий и снятия аэродинамических ограничений благодаря достижениям в области LO и возможности моделирования его эффекта.


B-2A в полете. Обратите внимание на открытые поверхности руля направления и органы управления задней кромкой. Передняя кромка, кажется, меняет угол стреловидности на кончике и вблизи центра; Фактически, это связано с изменением радиуса передней кромки от аэродинамически предпочтительного относительно большого сечения средней части к резкой форме, смещенной по оси LO у основания и законцовки.

Одна вещь, которая, конечно, не очевидна на B-2, - это уровень спада передней кромки подвесного двигателя на B-21. Но где мы это уже видели? Оглядываясь назад на 1950-е годы и на высотные V-бомбардировщики аналогичного размера, хорошо известно, что Vulcan в своем первоначальном воплощении не обладал аэродинамическими качествами. Естественная тенденция внутренней, ведущей части стреловидного крыла нагружать внешнюю часть позади нее, приводила к развитию там значительных пиков всасывания. Ответом стало прогрессивное спад LE, который работал очень хорошо благодаря пониманию «остроконечного» механизма и специфической формы сечения. Сверхзвуковое расширение, за которым последовало первоначальное сжатие с использованием отражений волн Маха, а не ударной волны, привело к гораздо более эффективному потоку на высокой дозвуковой скорости. Это фундаментальная характеристика сверхкритических профилей, используемых на В-2. Соперник Виктор использовал философию «постоянного критического Маха»; предполагалось, что крыло будет аэродинамически адаптироваться по размаху. ОБ был опущен, истончен и имел уменьшенную стреловидность. Возможно, его не так-то просто построить, но прогрессивное снижение LE на всем размахе может существенно способствовать повышению эффективности трансзвукового крейсерского полета. Видим ли мы возможность объединить возможности проектирования и моделирования 202x в области LO и аэродинамики по сравнению с работами эпохи 198x над B-2? Это еще одно очевидное свидетельство существования более быстрого или лучшего бомбардировщика L/D, менее подверженного риску LO по мере развития техники.

Мы обсудили одну причину спада передней кромки подвесного двигателя: околозвуковую крейсерскую эффективность. Это определенно не единственная причина, по которой можно это увидеть. Для подавляющего большинства практических самолетов вертикальный киль и руль направления обеспечивают возможность учитывать обычный неблагоприятный эффект рыскания при развороте. В 1920 году Прандтль и его коллеги из Геттингена разработали теорию подъемных линий для анализа трехмерных крыльев. Постоянный поток воды вниз от нагрузки эллиптического пролета давал минимальное индуцированное сопротивление. Однако в 1933 году это было расширено для расчета заданной массы; колоколообразная кривая была лучше. Эта форма 1933 года подразумевает переключение с нисходящего потока на восходящий и, следовательно, выталкивание за борт. Развернув боковые поверхности управления в этой области, локальное увеличение нагрузки (вниз элеронов) создает момент рыскания в повороте (Proverse Yaw), не требуя вмешательства руля направления. В 2016 году Бауэрс и его коллеги опубликовали отчет НАСА [iii] , в котором предположили, что эта нагрузка на размах колокола, доказавшая модель, вызывающую рыскание, применима к полету парящих птиц. Птицам также не нужен вертикальный хвост для скоординированных поворотов. Все это возвращает нас к тому моменту, когда как дозвуковая крейсерская эффективность (минимальное индуцированное сопротивление), так и управляемость в поперечном направлении при отсутствии киля (для малозаметности) обеспечиваются колоколообразным размахом нагрузки. Обратите внимание, что RT Джонс и Хортены фигурируют в этой истории, но не являются обязательными для повествования. Пожалуйста, не пишите и не жалуйтесь!

Пользователи B-2 разделяют рули направления для управления по курсу, когда он не находится в скрытном режиме, полагаясь при этом на дифференциальную тягу и остальные поверхности управления, когда LO жизненно важен. Возможность смешивать эти элементы управления (вместе с нейтральной и нестабильной конфигурацией) не была доступна компании Northrop в 1940-х годах, когда такие устройства использовались в проекте бомбардировщика с летающим крылом XB-35. Помимо увеличения общих полномочий управления самолетом, эта стратегия конкретно расширит ограничения на посадку при боковом ветре и, следовательно, позволит запускать миссии в более широком диапазоне условий. Похоже, что в B-21 полностью отказались от разделенных поверхностей, что может указывать на большую уверенность в моделировании аэродинамических характеристик и характеристик системы управления полетом на этапе проектирования. Это также может намекать на то, что двигатели станут более мощными, и теперь эта комбинация сможет соответствовать всем установленным требованиям к посадке. Конечно, в наши дни конструкторам летающего крыла доступно гораздо больше данных, проверенных в полете.

Еще одним столпом стратегии формирования LO для B-2 было экранирование воздухозаборников и выхлопов двигателя снизу, а также самих компрессоров двигателя с высокой отражающей способностью. Гораздо легче было сказать об идеальном S-образном воздуховоде, идущем от верхней поверхности крыла, чем сделать. Как описал ситуацию Ханс Грелльманн, ответственный за аэродинамический проект самолета: «По сути, пришлось проектировать два сверхкритических профиля крыла последовательно. Первый — это поверхность крыла, где поток расширяется, достигая сверхзвуковой скорости, а затем снова сжимается до дозвуковой скорости, прежде чем попасть во входное отверстие. Второй «профиль» — это гондола между впускной кромкой и выпускным отверстием. В этой области поток ускоряется над воздухозаборником до сверхзвуковой скорости, а рекомпрессия становится частью области сжатия, простирающейся до внешнего крыла». [iv] Влияние конфигурации гондолы на верхней поверхности станет очевидным ближе к концу программы летных испытаний, уже в июне 1994 года. При расширении предела Маха диапазона на малой высоте было обнаружено остаточное колебание тангажа (RPO). идентифицировано. Испытание включало проверку реакции самолета на случайные небольшие воздействия на поверхность управления; ожидалось, что любые результирующие колебания будут затухать и устраняться в течение определенного периода. При этом колебания продолжались на небольшом уровне, при этом инженерам удалось выявить следы верхних поверхностных ударных волн над мотогондолами и внутренней вырезкой задней кромки, также колеблющиеся во времени. Они соединились со структурными модами и в конечном итоге сохранили вибрацию. Поскольку ситуация выходила за рамки эксплуатационных требований, решением стало предупреждение о превышении скорости Маха, чтобы дать пилотам время исправить ситуацию. [в]


Расчетная сетка из аналитических работ, связанных с исправлением проблемы RPO с B-2. Обратите внимание, что удар находился где-то над гондолой и затронул область выреза на задней кромке. Обе эти особенности отсутствуют в B-21. (Джейкобсон и др.)

Гондолы B-21 имеют заметно более низкий профиль, чем у эквивалентной геометрии B-2, а впускная плоскость расположена дальше вперед. Уменьшив потребность в восстановлении давления за счет этих двух изменений геометрии, самолет, вероятно, будет менее подвержен отрыву, вызванному ударом, что вызвало проблему с RPO B-2. Более простая геометрия задней кромки также играет в этом важную роль, в то время как проблемы моделирования, выявленные после того, как стали известны проблемы B-2, были решены за тридцать лет разработки трансзвукового инструмента CFD. Новый бомбардировщик стартовал с гораздо лучших позиций.

Если B-2 выиграл от перемещения воздухозаборника назад, и даже в этом случае требовался канал для отвода пограничного слоя под ним, чтобы удалить поток с низким общим давлением, как команде B-21 удалось переместить плоскость воздухозаборника вперед? Ответ, как можно предположить, заключается в работах, проводившихся в прошедший период над сверхзвуковыми бездиверторными воздухозаборниками, установленными на F-35. В этих устройствах используется тщательное формирование поверхности перед входным отверстием, обычно с помощью выступа, чтобы контролировать локальное направление потока в самом пограничном слое путем создания сжатия. Хотя сам B-21 является дозвуковым, местное течение над передней кромкой крыла в крейсерском режиме будет незначительно сверхзвуковым. Изображения этой области в лучшем случае неясны, но задача обеспечения присоединенного потока и максимального восстановления давления в LO-совместимом диффузоре S-образного канала перед двигателем является серьезной. Немыслимо, чтобы не было обращено внимание на адекватное управление пограничным слоем каким-либо методом, подобным этому.

Несколько мыслей по поводу B-21, который уже раскрыт.

Фундаментальная форма плана и стратегия напоминают первоначальные предложения B-2 от Northrop, принятые ВВС США для ранней разработки.
Многие различия в форме плана между B-21 и B-2 можно объяснить требованиями к малой высоте, введенными в окончательной спецификации бомбардировщика с передовыми технологиями.
Отказ от конструкции Hi-Lo-Hi, безусловно, снижает вес (стоимость) и позволяет избежать ряда специфических аэродинамических проблем, которые трудно предсказать (время и стоимость).
Геометрия B-21 соответствует достижениям в области инструментов прогнозирования и уверенности, полученной от соответствующих платформ LO. Примером может служить устранение разделенных рулей направления и потенциальное использование резкого рыскания.
В целом, существует захватывающее взаимодействие между противоречивыми аэродинамическими и оптимальными решениями LO. По мере развития возможностей вычислительных инструментов, в частности вычислительной гидродинамики (CFD), для прогнозирования физических явлений, связанных с трансзвуковыми режимами полета, у дизайнеров появляется больше уверенности в том, что они будут продвигать формы к решениям, ориентированным на скрытность. Примером может служить сложная геометрия впуска и выпуска, которая должна сохранять хорошие аэродинамические характеристики с точки зрения восстановления давления и минимальных потерь. И наоборот, по мере развития аналитических инструментов для оценки характеристик LO без необходимости физических испытаний пространство аэродинамических решений расширяется. Явное изменение формы сечения и очевидная геометрия нижних поверхностей крыла B-21 с задней нагрузкой выглядят более геометрически изысканной и оптимизированной трансзвуковой формой, чем у B-2, по крайней мере внешне. Дело действительно сдвинулось с мертвой точки, поскольку предложение Нортропа 1979 года может напомнить нам о том, что было недавно обнаружено.

С моей стороны было бы упущением не упомянуть огромную помощь в доступе к справочным материалам, оказанную Дэвидом Ледникером – она была очень признательна. Однако во всех неправильных интерпретациях набора данных виновата только я.

- Стивен Лиддл является обязательным подписчиком в Твиттере X и в настоящее время готовит книгу об аэродинамической разработке V-бомбардировщиков, которая, как он надеется, будет опубликована во втором квартале 2024 года.