空军之翼:猛禽的进化——从ATF到F-22(三)

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http://www.afwing.com/aircraft/the-birth-of-f22-raptor-3.html

布时间:2014-05-19 作者:Armstrong

波音的设计

  波音公司的设计比洛克希德和通用动力的都大,保留了之前设计中的高速特性。该设计最显著的特点是后机身梯形机翼之后的双垂尾,垂尾尺寸足够大以提供与四尾翼相同的垂直和水平控制力。迪说:“设计师争论最多的问题就是选择双尾翼还是四尾翼,整个波音公司都被卷入了争论,于是我们成立了一个特别小组来研究这个问题,最后两尾翼胜出。更高的飞行速度导致我们飞机的机身较长,于是就有着更大的尾翼力臂,所以无需更复杂的尾翼设计。我们认为两尾翼能够满足所有要求,并且给设计带来更低的信号特征和更轻的重量。”

  波音设计师是围绕弹舱进行基本设计的,然后他们根据风洞测试结果——特别是大迎角测试——调整尾翼的排列、大小、倾斜角度以及位置。该设计有一个机腹进气口,分成两路通向两台发动机。进气口内有一个可调斜坡(结合有附面层隔板)以满足较高的速度要求。波音设计师在后期设计修改时把前起落架后移到进气口之后。波音在七八十年代一直在为美国空军实验室以及一些秘密项目研制先进复合材料,所以该设计的机翼将采用独特的热塑性复合材料和工艺制造。

  波音的设计把空空导弹都装在弹舱内部,红外制导空空导弹容纳在独立的前机身弹舱中,较大的空地武器则半埋挂载。波音也为主弹舱设计了一种快速装弹托架,也在机鼻安装了三面雷达天线阵列来满足视场的要求,包括一个较大的前向阵列和两个较小侧向阵列。此外在机鼻周围还安装了两套红外搜索和跟踪传感器。

 前一阶段,波音的设计在7个项目中都拿了高分,完善度很高并经过了充分的风洞测试。此外该公司在航电集成方面也具有丰富经验,比如美国空军的预警机项目,最近还参加了B-2轰炸机项目的细化设计。波音的商用飞机生产能力也让人印象深刻。http://www.afwing.com/aircraft/the-birth-of-f22-raptor-3.html

布时间:2014-05-19 作者:Armstrong

波音的设计

  波音公司的设计比洛克希德和通用动力的都大,保留了之前设计中的高速特性。该设计最显著的特点是后机身梯形机翼之后的双垂尾,垂尾尺寸足够大以提供与四尾翼相同的垂直和水平控制力。迪说:“设计师争论最多的问题就是选择双尾翼还是四尾翼,整个波音公司都被卷入了争论,于是我们成立了一个特别小组来研究这个问题,最后两尾翼胜出。更高的飞行速度导致我们飞机的机身较长,于是就有着更大的尾翼力臂,所以无需更复杂的尾翼设计。我们认为两尾翼能够满足所有要求,并且给设计带来更低的信号特征和更轻的重量。”

  波音设计师是围绕弹舱进行基本设计的,然后他们根据风洞测试结果——特别是大迎角测试——调整尾翼的排列、大小、倾斜角度以及位置。该设计有一个机腹进气口,分成两路通向两台发动机。进气口内有一个可调斜坡(结合有附面层隔板)以满足较高的速度要求。波音设计师在后期设计修改时把前起落架后移到进气口之后。波音在七八十年代一直在为美国空军实验室以及一些秘密项目研制先进复合材料,所以该设计的机翼将采用独特的热塑性复合材料和工艺制造。

  波音的设计把空空导弹都装在弹舱内部,红外制导空空导弹容纳在独立的前机身弹舱中,较大的空地武器则半埋挂载。波音也为主弹舱设计了一种快速装弹托架,也在机鼻安装了三面雷达天线阵列来满足视场的要求,包括一个较大的前向阵列和两个较小侧向阵列。此外在机鼻周围还安装了两套红外搜索和跟踪传感器。

 前一阶段,波音的设计在7个项目中都拿了高分,完善度很高并经过了充分的风洞测试。此外该公司在航电集成方面也具有丰富经验,比如美国空军的预警机项目,最近还参加了B-2轰炸机项目的细化设计。波音的商用飞机生产能力也让人印象深刻。
通用动力的设计

  通用动力公司为演示/验证阶段提交的设计是从多个设计演变而来。该公司在上一阶段将重点放在三种不同的设计上:常规、飞翼和半无尾(分别以C、W和T来表示)。传统设计衍生自之前的Model 21;飞翼设计继承“劣酒”的低可探测性能但加入了超音速要求;无尾设计是单垂尾,是两个极端设计之间的折中。经过一系列的内部设计竞赛和交流后,通用动力最后提交了半无尾设计(无平尾)。

  通用动力在机翼平面外形和翼型设计上注重减重的同时提供最好的转弯能力和超音速巡航能力。但单垂尾会出现全向隐身问题,所以通用动力公司进行了大量风洞测试,为半无尾设计测试双倾垂尾的外形和安装位置,但发现前机身和三角翼产生的脱体涡会与双垂尾相互作用而出现不稳定的俯仰力矩,没有平尾也就无法产生足够的配平力矩来抵消这些不稳定运动。最后该公司认为尽管存在侧面雷达反射面积过大的缺点,但在整体上单垂尾无尾布局仍然是最佳的设计,设计编号是T-330。

通用动力公司采用了独特的设计来满足传感器方面的要求,为飞机配备了两面雷达阵列和一个红外搜索和跟踪传感器(波音和洛克希德都是三面雷达阵列和两个红外传感器)。红外搜索和跟踪传感器安装在机鼻,两面雷达阵列安装在座舱后方两侧,每面天线的视场覆盖从前方到侧面的120度。

  通用动力的设计非常详尽,甚至制造了一个全尺寸模型以及一个1:2的雷达反射面积测试模型。该公司还进行了初步结构设计、确定与潜在合作伙伴分工协作的生产地点。通用动力公司在项目的概念定义阶段表现出色,在7个项目中都获得了高分,该公司的优势是在F-16项目中获得的设计和制造战斗机的丰富经验,此外该公司在原型机制造速度上也有很好的声誉,YF-16就是无与伦比的例子。


需求书修订

  在演示/验证阶段方案提交截止前的几个月,美国空军修订了方案需求书,提高了隐身的权重。洛克希德的090P隐身方案不做任何修改就能满足新要求,波音对进气口设计稍微做了些修改以满足增加的隐身要求,该公司认为双尾翼设计将能满足要求。

隐身要求的提高迫使迫使通用动力公司重新考虑了不同双垂尾布局,其中一种甚至安装在机翼短舱上。此外他们还把机翼和控制面后缘切成与前缘平行的V形,看起来就像是蝙蝠翅膀。最终该公司没有找到理想的双垂尾安装方式,提交了具有单垂尾和锯齿后缘的T-333。

需求书修订

  在演示/验证阶段方案提交截止前的几个月,美国空军修订了方案需求书,提高了隐身的权重。洛克希德的090P隐身方案不做任何修改就能满足新要求,波音对进气口设计稍微做了些修改以满足增加的隐身要求,该公司认为双尾翼设计将能满足要求。

隐身要求的提高迫使迫使通用动力公司重新考虑了不同双垂尾布局,其中一种甚至安装在机翼短舱上。此外他们还把机翼和控制面后缘切成与前缘平行的V形,看起来就像是蝙蝠翅膀。最终该公司没有找到理想的双垂尾安装方式,提交了具有单垂尾和锯齿后缘的T-333。
截止日期的再次推迟

  和上一阶段一样,美国空军再次推迟了演示/验证阶段方案提交的截止日期,这连次原型机制造的截止日期也做了相应推迟。修订后的方案需求书要求承包商制造两架原型机:一架安装F119发动机,另一架安装F120发动机。这个变化缘起于80年代初电子行业先驱戴维•帕卡德关于五角大楼采购改革的一份国会委员会报告,报告受最近F-16项目成功的影响,赞成在新型军用飞机的研制中采用原型机竞争体制。

  皮奇里洛解释道:“最初的方案需求书中并没有原型机要求,ATF沿用了没有原型机的F-15项目流程。美国空军五十多年以来对原型机价值的认识一直反反复复。60年代的F-15项目并没原型机时,我们也完成了研究、地面测试和风洞试验,然后就开始全面研制工作。我们的确制造了测试机,但是其规格都非常接近生产型。经修订后的方案需求书要求为演示/验证阶段获胜的方案制造验证原型机,用意是让承包商展示其ATF概念的关键技术,重中之重是超音速飞行和低可探测外形设计。”

通用动力的莫兰回忆说:“我们实际上已经完成设计,当我们收到方案需求书的MR-006修改请求时只需几天就能提交方案。与原定授予4家获胜公司每家约1亿美元的合同不同,空军这次只选出两家获胜公司,每家公司会获得约7亿美元合同来制造飞行原型机。我们被要求在文档中增加一篇描述如何设计、制造和测试两架飞行原型机的章节,这两架飞机一架将安装普惠F119发动机,另一架安装通用电气F120发动机。我们还需建立一个地面航电测试实验室。如果必要我们还可以提供一个航电飞行试验平台。”公司们获得了额外的60天来修改各自的方案。

  1985年底美国空军在修订过的演示/验证阶段方案需求书中附带了一封鼓励各竞争公司组队的信。皮奇里洛回忆:“修订后的方案需求书中带有有一封鼓励公司组队的信函。空军鼓励组队是想使项目获得最好的工业界资源。项目将变得昂贵且庞大,我们从工业界获得的承诺越多,项目就越有可能成功。”

  承办商间立即开始跳起复杂的交谊舞,1986年6月波音、通用动力、洛克希德代表签署了一项合作协议,两个月后诺斯罗普和麦道公司宣布了组成另一个团队,剩下的两家公司没有选择组队。

  波音、通用动力、洛克希德达成的协议:获胜公司将领导团队。组队是在“三盲”状态下进行的,没有一个参与者能在合同授予之前看到其他竞争者的设计或项目计划。波音、通用动力、洛克希德公司在结果宣布后将向获胜公司各派驻一组二十人的高层管理人员。

  1986年10月31日美国空军宣布洛克希德和诺斯罗普成为前两名竞争者,各自获得7亿美元的合同。11月2日周日波音和通用动力公司的代表以合作伙伴身份在加州伯班克的洛克希德臭鼬工厂首次会见了洛克希德同行,该团队将和诺斯罗普和麦道公司同台竞技竞争美国空军的下一代战斗机。

  美国空军部副部长阿尔德里奇的万圣节公告意味着洛克希德和诺斯罗普各获得一份ATF项目演示/验证阶段6.91亿美元的合同。两家获胜企业牵头组建团队,每个团队将制造两架安装不同发动机的飞行原型机,并制造地面航电原型机和一个用于演示的飞行航电实验室。演示/验证阶段的竞争将决定哪支团队能进入项目的下一阶段,最终制造出ATF的生产型。

  在演示/验证阶段结果宣布后,ATF项目重回保密状态,其信息在1990年8月原型机下线前很少公开,这段时间将近4年。虽然这4年在保密的掩护下显得很平静,但因为ATF竞争的加剧,参加项目的人们都感到了巨大的压力。
演示和解说

  演示/验证阶段竞争结果是在星期五下午宣布的,在接下来的周一早上,来自洛克希德、波音和通用动力公司的代表在加州伯班克的洛克希德工厂内第一次作为一个团队开了会。大约有100名工程师和管理人员挤在360号楼的大型保密会议室里,听取三家公司代表对各自ATF概念的陈述。每家代表都获得两小时的陈述时间,洛克希德代表先开始,波音代表在午饭后开讲,最后是通用动力代表。

  这一整天的演示和解说会议对于到场的每个人来说都是前所未有的,之前三家公司从未进行过如此彻底的交流活动,而就在一星期前,听众们还互视为竞争对手。虽然三家公司之前就有合作协议,但由于协议签署和合同授予之间的间隔很短再加上保密检查规定,所以无法交换信息,所以交流会开得非常有必要。

  1985-1991年间通用动力公司的ATF项目主管兰迪•肯特项回忆说:“那个周一是我飞机业务生涯中最迷人的一天。通常情况下我们不知道其他公司近几个月来做了些什么,有也是在合同授予之后的事。这次为了ATF项目,每家公司都在伯班克进行了曾为空军做过的演示和解说。我们都把各自的模型、布局和图纸放在台上,每个人都能看到各公司在项目当前阶段所做的详细工作,大家都获得了惊人的体验。”

  通用动力公司的总工程师格里•马夫补充说:“这些方案的多样性令人惊讶,深度和性能都令人印象深刻。洛克希德公司的实力表现在信号特征上,他们的工程师知道如何使用一组固定角度来设计飞机,他们了解所有相关细节和设计技术,他们的作战分析也表明为什么隐身是关键要素,这也是他们能胜出的原因。他们看重ATF的操纵品质,所以有了四尾翼设计,他们的方案非常好。”

  洛克希德方案的重要性进一步加强。在首次团队会议后,美国空军主任技术评估师里克•阿贝尔向这三家公司汇报了各自方案在演示/验证阶段得到的评价。阿贝尔使用的评估图表系统和F-22系统项目办公室后来在二进一竞争中使用的相同,他为每种方案都列出了约七十项优点和三十项缺点。

  洛克希德项目主管和团队领队谢尔姆•穆林回忆说:“这是我在职业生涯中唯一一次看到在同一竞争中官方对各竞争方案进行评价,而且评价直接来自一位官方权威人士而不是流言。方案书中的系统工程篇在空军做出决定时占了很大比重。大部分竞争方案受挫于崇尚目标设计和单一答案。空军官员在1986年末就明确表示希望能看到平衡各方面性能的权衡研究,希望提出的每个要求都能受到挑战。他们机会考虑了所有方面。”
洛克希德的方案还有一个关键的获胜因素。后来成为ATF项目空军首席工程师的阿贝尔解释道:“演示/验证阶段的所有方案都能满足空军的要求。我们评估中最大的单一重要因素就是降低生产型的研制风险,也被称为‘首选系统概念’。我们并不关注原型机和原型航电能够做什么或能够达到怎样的性能,我们希望获得项目能沿着降低风险和充分技术开发的方向展开,这样当我们开始下一个阶段时将得到一个低风险项目。我们并没有花很多时间来浏览各方案书中原型机性能。”



分工协作

  加州会议后不久,三个公司的人员被分成两个基本设计组。一组负责解决原型机的接口、成本和协作问题,并且在演示/验证阶段后期负责首选系统概念。分工后,三家公司为每个小组成员都进行了困难且复杂的费用估算,计算需要考虑很多因素(例如不同的劳动力价格和各公司独特的估算流程)。

  另一组人员致力于确定合作协议中各公司德尔工作配额,这将成为三家公司的基本关系。他们在一份五十页的文件详细规定了领队公司的任务和职责、成员公司之间的分工和任务、未来方案的预备工作、专有信息和专利的处理、争论解决程序、成本分摊、成本报告、宣传协调、以及协议本身的终止程序。

  每家公司之前都提交了假设自己获胜成为领队公司后的任务分配清单。这些任务被分成六大类:武器系统集成、机身设计/系统、航电、系统测试、制造、保障性,在演示/验证阶段合同被授予后又增加了第七类:系统工程。

  洛克希德作为领队公司获得了最多的工作份额:负责制造前机身和起落架、所有特殊处理边缘和低可观测性天线的集成、座舱、控制器和显示器、航电系统的核心处理部分、飞机总装和检测,并主导试飞。

  波音公司得到了后机身和机翼、灭火系统、生命支持系统、辅助动力系统、制动装置、雷达、红外搜索和跟踪系统、任务软件、飞行航电实验室,并且作为主导公司获得了培训系统的最大份额。

  通用动力公司获得了中段机身和其中的所有子系统、主起落架、水平和垂直尾翼、飞行控制系统、通信-导航-识别系统、电子战系统、惯性参考系统、弹药管理系统、低可观测性能的红外部分,并作为主导公司获得了支持系统的最大份额。这些基本分工经过细微修改后一直延用到F-22项目。
 合作协议还规定以演示/验证阶段的获胜方案作为原型机方案的设计起点,协议中写道:“方案可经过修改后融入其他合作伙伴方案的特点,这样的修改可以在空军要求后,也可以在当事方同意并经过空军批准后进行。”简单来说,团队鼓励结合三家公司的优势来赢的ATF竞争。

  波音ATF项目主管迪克•哈迪说:“合同被授予后我们花了两年时间进行设计。我们决定在确定生产型构型后再开始制造演示原型机。而诺斯罗普团队走的是先制造原型机再确定生产型配置之路,假如他们能进入项目的下一阶段,就不得不就行大量修改,例如重新安排弹舱的位置。而我们希望把在制造和测试演示原型机中收集的数据直接使用在生产型上。这样做的全部目的是为了让原型机为最终生产型的设计产生提供有用的数据。”

  当团队在伯班克第一次碰面时,工程师们看到了一幅带内部布局的洛克希德方案线图,上面写着090P构型,此外还有一幅写着090P/092构型的详细三视图。090P构型就是洛克希德为ATF演示/验证阶段提交的方案,090P/092构型是洛克希德在由空军评估期间进行的改进设计,修改了进气口、小幅调整了机翼和尾翼后掠角,垂尾向外侧移动,机背稍稍收窄。
从090P向1132构型——也就是YF-22的进化过程,涉及了一些堪称飞机设计史上最密集的工作。团队成员开始了紧张的090P构型修改工作,公司们分析了各自的相对优势和劣势并对各种设计特点提出了支持或反对意见。当时担任洛克希德技术和设计副总工程师的保罗•马丁说:“那时的气氛很激烈,我们花很多时间来说服彼此,要知道在场的所有人都是强硬的工程师。”

  所有三家公司都拿出了海量资料供人翻阅,每个公司的方案都有自身的问题和优势。但作为官方的起点方案,洛克希德的设计受到了最多的关注与批评。

  马夫回忆说:“研究了090P构型的设计之后,我们很快意识到这架飞机根本飞不起来,巨大的前翼身融合体在俯仰轴上根本不可控。内部布置也不合理,大型旋转弹舱把发动机和进气口推向两侧,从而产生了过大的激波阻力。向后收起的起落架也不适合战斗机。”

  通用动力构型设计主任凯文•伦肖回忆说:“通用动力团队在伯班克待了大约两个星期后向总部发回了一套洛克希德方案的设计图纸。沃思堡工程师们的第一个任务是飞机图纸输入计算机来建立分析模型。洛克希德设计的不成熟性变得显而易见,其平面图、剖面图和截面图之间只有一个粗略的相互关系。在分析了设计之后,通用动力的工程师们发现其气动和重量数据和图纸几乎没有关系,只是个‘目标’数字。该设计只是由围绕飞机各子系统的图纸组成,并且互相之间没有关联。洛克希德提交的是一个飞机的概念而不是一个目标设计,但正式这种做法赢得了竞争。”

  090P在设计细化上可能比不上波音和通用动力提交的方案,但洛克希德辩解说这是因为其设计起步相对较晚,公司是在最后阶段才决定推翻之前设计提交新方案的。但正是这个决定使洛克希德从上阶段的最后一名一跃成为演示/验证阶段的第一名。相反,在空军对能减少演示/验证阶段风险的设计更感兴趣时,波音和通用动力公司却在目标设计上投入了太多精力。

  肯特说:“通用动力在历史上一直专注于构型设计。我们会进行大量结构和气动细节设计,并进行风洞测试来让设计能够实现我们的承诺。我们认为空军评估师对演示/验证阶段方案的构型和概念一样重视,还认为有效的权衡研究只能以一个坚实的构型为起点。看来我们误读了空军的意图,他们更感兴趣的概念而不是具体的构型。”

  穆林解释说:“090P构型并不是一个目标设计方案。这不是偶然的,我们的方案因为能实现客户想的和我们要做的而赢得竞争。如果客户想用两年时间好好进行系统工程而且没有规定太多目标设计的话,那么就体现出了这个方案的优点了。”

  穆林继续说:“我们的团队在系统工程一开始就遇到了大问题,很多工程师想设计一架只能满足既定要求的飞机,而不是一种能继续让空军官员调整要求的权衡设计。1987年的研究主题之一就是让每个人都认识到空军的每条要求都不是最终要求,权衡研究和降低风险更重要。”

  哈代回忆说:“一开始所有人都有一点抵触情绪。现在回想起来,我们的团队最终聚拢在一起,达成一项协议,完成了一项伟大的工作。其中穆林居功至伟,他让每个人都专注于项目和设计,他让争论远离个人情绪,他始终专注于对项目最有利的东西。”穆林成为洛克希德-波音-通用动力团队在演示/验证阶段的领导者,他把来自三种不同企业文化的工程师们拧成了一股绳。

  穆林说:“我想我在所有方面都做到了合理公平。几乎每周我都被三家公司的工程师们弄得心烦意乱,每个人都认为自己的设计是圣经。我不得不说服波音和通用动力的工程师们相信我是正大光明的,并没有偏袒洛克希德公司。这很不容易,不过我与哈代、肯特还有其他许多人都建立一种富有成效的关系。我们最终成为一个有凝聚力的团队,这是赢得竞争的一个关键因素。我们并没有对彼此的企业文化做太多干涉,我们只是学会彼此接纳,携手合作。作为系统工程团队主管的AL•普鲁登为此进行了艰苦的努力。”

  出席过1986年首次会议的比尔•莫兰说:“三家公司的项目经理——穆林、哈代和肯特组成了一个互补的班子。穆林兴奋、热情洋溢\沉迷迷于技术;哈代在财政方面很敏感,脚踏实地,具有简单明快的幽默感,和穆林的热情形成完美互补;肯特含蓄、聪明,致力于为试飞和最终作战制造出一架真正的飞机;三人齐心协力向项目的终极目标努力——制造出真正用于作战的武器系统。这些领导人的互动总是令人兴奋并能受到启发的,学习他们如何相处,如何求同存异。与任何有着几千人的庞大集团一样,三家公司的合作总是会有些磕磕绊绊的事情,但管理层把握住了通向成功的正确方向。我没在其他团队任过职,但我听说过其他团队的一些故事,同样需要有强力领导人才能成功。”

  莫兰补充道:“吉姆•费恩是演示/验证阶段ATF系统项目办公室的负责人,他也对团队的协作贡献良多。他比我们大多数人最初认为的更聪明,而且是位无所畏惧的创新者。他在演示/验证阶段之初加入项目是还是一名上校,他就宣布如果不能让项目按照设想的情况运转,他就永不当将军。费恩最终在演示/验证阶段中期被提升成准将,后来以中将军衔退休。他利用两支团队间的竞争而不是指手画脚来获得想要的东西。在里克•阿贝尔和汤姆•布赫尔上校的帮助下,他引入了许多年后才被国防部正式采用的采购革新。”
仔细看了,感觉这个系列到现在为止的这一部分内容算是最有启发意义的——我觉得这里面有一点当年国产重四项目竞标的影子在里面,虽然TG走的和MD不完全一样,但是确实反映了为什么空军选择了CF的方案。其实虽然大家之前叫SF是沈洛马,但是CF才是真正走的洛马的风格,现在来看洛马和CF赢得竞标不是没有原因的,而且两国的军方也确实都不是傻子。
原来娘娘缺氧时波音的问题?
卓越奇迹 发表于 2014-5-19 20:52
从090P向1132构型——也就是YF-22的进化过程,涉及了一些堪称飞机设计史上最密集的工作。团队成员开始了紧 ...
那为什么停止进化了那,是不是用跑车拉货比较不合算啊。
tyxwjz1985 发表于 2014-5-19 23:48
仔细看了,感觉这个系列到现在为止的这一部分内容算是最有启发意义的——我觉得这里面有一点当年国产重四项 ...
不是一直叫沈飞沈霍伊滴嘛~~
tyxwjz1985 发表于 2014-5-19 23:48
仔细看了,感觉这个系列到现在为止的这一部分内容算是最有启发意义的——我觉得这里面有一点当年国产重四项 ...
大家什么时候把沈飞叫做沈洛马了?不一直叫沈霍伊来着么
不是一直叫沈飞沈霍伊滴嘛~~
31001出来的时候就被这样叫了。。。。
沈飞一直叫做沈霍伊.洛马斯基
和b2的项目状况也有关系,军方不想b2项目重演,但f35又重蹈覆辙