浅析：美军B-2隐形轰炸机先进设计背后的重大“秘密”
从XB-35到B-2
ATB方案既然决定了采用飞翼构型，诺斯罗普可就要大显身手了，因为它是全球最具飞翼研制经验的厂家。这个故事还要从38年前说起 - 1941年太平洋战争爆发前夕，美国陆军航空队委托诺斯罗普和联合伏尔堤（康维尔公司的前身）研制一款大型远程轰炸机，并分别赋予了XB-35和XB-36的编号，设计要求为：携带4.5吨炸弹往返航程1.6万公里，最大速度720公里/时，巡航速度443公里/时，作战升限1.4万米，其用意是万一纳粹德国占领了英国，美国轰炸机可以从本土对德国发起越洋攻击（德国也有类似的方案 - 1942年启动的“美国轰炸机”)。
这些指标每一个都要碾压尚在绘图板上的B-29，也远远超出了当时的飞机设计制造水平。联合伏尔堤的方案仍然采用常规设计，最终催生出世界上最大的量产型活塞式飞机、同时也是迄今为止体积最大的轰炸机：康维尔B-36。它的实际性能甚至超出了最初的设计要求，无空中加油航程1.6万公里，正常载弹量高达32吨，但是机体尺寸也异乎寻常的庞大，翼展70.1米，机长49.4米，最大起飞重量185.9吨，采用6台活塞螺旋桨发动机加4台J47涡喷发动机。它是如此复杂，而且在二战中联合伏尔堤的首要任务是生产B-24，所以不断拖延的原型机首飞已是战后的1946年8月8日。
> 1948年为纪念第一架B-36入役在沃斯堡卡斯威尔空军基地拍摄的一张著名照片，图中从小到大分别为道格拉斯B-18、波音B-17、波音B-29和康维尔B-36
诺斯罗普的创办人杰克·诺斯罗普从上世纪30年代起就一直醉心于飞翼研究，没有机身可以消除不直接产生升力的结构重量并减少寄生阻力，大大提高气动效率。空军的最初合同要求在制造两架XB-35原型机之前先试制2架1:3缩比全木制验证机，用以搜集飞翼的飞行数据并作为教练机让飞行员熟悉飞翼的操纵特性。这两架验证机就是N-9M，它是诺斯罗普一生中设计的第三种飞翼，前两种分别是1929年的X-216H和1940年的N-1M。
> X-216H还算不上纯粹的飞翼，有两个尾撑连接伸在后方的平尾和双垂尾
> 上图为现收藏在美国国家航空航天博物馆的N-1M4号机，从正面看和半个世纪后出现的麦道A-12隐身舰载攻击机是如此之像。下图展示了N-1M的早期形态，外翼段下反作为安定面，外形更加科幻，但试飞中发现稳定性过高影响飞行性能，后改为平直翼。
N-9M是N-1M的放大型，起飞重量从1.7吨增加到6.3吨，实机采用钢木混合结构，共建造了4架。N-9M于1942年12月27日首飞，虽然试飞过程中饱受机械故障困扰，它仍然验证了大型飞翼的可行性。
【 XB-35 】
诺斯罗普还邀请到了空气动力学大师冯·卡门来公司兼职，他评估并同意了诺斯罗普最初的飞翼设计方案，1942年初XB-35的设计工作正式启动。因为飞翼没有控制航行的常规垂尾，诺斯罗普专门设计了开裂式阻力方向舵，它具有3种工作状态，上下两片一体偏转时作为配平襟翼使用；飞行员踩单侧踏板时该侧方向舵上下张开产生偏航力矩作为方向舵使用；同时踩下左右踏板时两侧方向舵一起张开则作为减速板使用。
> 从N-9M2号机开始安装的开裂式阻力方向舵
XB-35的设计进展相当顺利，42年7月5日全尺寸模型即通过审批，原型机尚未首飞，陆航就在1943年中授出合同采购200架B-35。它是全尺寸的轰炸机构型，机长只有16.18米，翼展达到52.43米，前缘后掠角27度，最大起飞重量94.8吨，采用4台3千马力的普惠“大黄蜂”星型气冷发动机，外侧的型号是R-4360-45，内侧为R-4360-47，驱动4具直径4.65米的巨型4叶同轴对转推进式螺旋桨。由陆航提供的驱动组合给后来的试飞带来巨大的麻烦，螺旋桨和发动机不匹配产生剧烈共振，极其复杂的变速箱也是故障不断，最后修改为常规的单向旋转螺旋桨。
同样受到二战战局的影响，N-9M的试飞和XB-35原型机的工装整备都被严重拖延，陆航判定战争结束前无法服役，于是在1944年5月取消了B-35的合同，只是完成2架XB-35原型机和13架YB-35服役测试机的生产。
XB-35首飞推迟到了1946年6月25日。陆航对飞翼构型的XB-35降低了要求，虽然它的最大起飞重量只有B-36的一半，不过航程仍然能够达到1.2万公里，升限1.2万米，最大飞行速度629公里/时，最大载弹量23.6吨，显示出飞翼优秀的气动效率。XB-35共有9名机组成员，计划配备20挺机枪或机炮的强大自卫火力。
> 和B-17编队飞行的YB-35，已经改用常规螺旋桨，后者的最大起飞重量是前者的3倍还多
【 YB-49 】
研制过程中军方和厂方在很多方面都产生了冲突，比如陆航要求该机具备携带原子弹的能力，但是却拒绝了诺斯罗普修改弹舱以容纳MK.3核航弹的建议；陆航无法提供合同规定的交流发电机，坚持让诺斯罗普采用汽车发动机驱动的辅助动力单元，令XB-35的升限无法超过6千米。而当时更大的背景是喷气时代正快速降临，任何螺旋桨动力的作战飞机都将迅速落伍。
为此陆航于1945年6月1日要求诺斯罗普将两架YB-35改装为喷气式轰炸机，换装8台艾利逊J35-A-5发动机，单台推力只有1.8吨，飞机编号改为YB-35B，之后又改称YB-49。为了补偿取消螺旋桨驱动轴整流罩所损失的航向稳定性，YB-49安装了4具由翼刀延伸到机翼后缘的小型垂尾，它们是固定式的垂直安定面，偏航控制仍然由开裂式阻力方向舵完成。
YB-49于1947年10月21日首飞，最大飞行速度提高到837公里/时，但受当时喷气发动机性能和油耗的限制，航程和载弹量都大幅下降。严重的飞行稳定性问题也一直无法解决，平飞时难以保持高度和速度，会不自主地做S型机动，难以进行投弹瞄准，轰炸精度远低于B-29。不过试飞中也有一个意外发现，就是YB-49经常会从地面雷达的屏幕上失去踪影。
2架YB-49共飞行了169架次333小时，1948年6月5日2号机在移交美国空军后不久进行的一次试飞中坠毁，诺斯罗普飞翼测试首席试飞员格伦·爱德华兹上尉和4名机组人员遇难。1949年底，失事地点附近的莫洛克空军基地更名以兹纪念，这就是今天大名鼎鼎的爱德华兹空军基地。
40年代末美国已经涌现出康维尔XB-46、波音XB-47、马丁XB-48等一批常规布局的重型喷气轰炸机项目，XB-52也已经露出雏形，沦为中型轰炸机的YB-49前景日益黯淡。最终美国空军在1949年4月取消了30架改装为RB-49战略侦察机的订单，1950年取消了整个YB-49计划。
> 起飞中的YRB-49原型机，安装6台艾利逊J35-A-5喷气发动机，其中2台吊挂在机翼下方
等到B-52在1952横空出世后，无论是庞大的B-36、高速的B-47还是造型前卫的YB-49都迅速成为过眼云烟。
30年弹指一挥间，转眼又到了一次历史性的轰炸机竞标时刻，从XB-35到B-2，诺斯罗普的飞翼之梦终于成真。1980年4月，85岁高龄的杰克·诺斯罗普坐在轮椅上被推入一个保密区域，在那里B-2设计团队向他展示了绝密的ATB项目缩比模型，这是一具完美的飞翼。端详着那些熟悉的线条，身患帕金森症已经无法发声的诺斯罗普在一个垫子上写下：“我终于知道为什么上帝让我多活了25年。” 十个月后，杰克·诺斯罗普病逝，又过了8年B-2正式服役。
化简为繁
诺斯罗普公司在接手ATB项目后对自己在隐身性方面的研究还是颇有信心的，但是隐身战略轰炸机到底应该走什么路线仍然是一片完全未知的迷雾。1979夏，未来的B-2项目经理Jim Kinnu和团队高层讨论方案时在一块黑板上画了4个象限，分别是高空、低空、亚音速和超音速，B-1已经实现了低超音速，但是并不隐身，从当时的技术水平看最可行的选择是高空亚音速，高空可以获得更大的航程、地面威胁也少得多。
理论上最隐身的飞行器其实是飞碟，没有任何角度或者边沿会产生雷达回波。但是一架包含弹舱、驾驶舱、油箱等各种设备的战略轰炸机显然不可能做成纯粹的飞碟形状，于是隐身设计和空气动力学专家们都把思路集中在所有飞行器中和飞碟的扁平构型最为接近的飞翼上，它不但具有出色的隐身效果，而且更提供高升阻比和高结构效率，实际上在研制“沉默之蓝”时诺斯罗普就曾经考虑过飞翼。
> 神秘的60年代美国空军飞碟电脑效果图，据说有人在佛罗里达麦克迪尔空军基地见过已封存的真机
【 总体布局 】
B-2设计的第一步是曲线化，所有不能保持扁平的部位都得改成平滑的曲线。第二步是处理边缘雷达反射回波，多年研究测试积累的数据表明曲线会产生回波，无法消除它们，能做到的是控制回波的方向和强度，把它们集中在尽可能小的范围内，这样在敌方的雷达屏幕上即使回波被捕捉到也只是飘忽不定的闪烁信号，无法构成稳定跟踪。
尽管ATB项目到1984年才被正式命名为B-2轰炸机，它的雏形在1979年夏天就已经从主任设计师Irv Waaland手绘的草图上清晰地浮现了出来（下图是仅有的一张尺寸很小的手绘图数字文件），他和设计团队相信可以把雷达反射面积降到比“沉默之蓝”还低，尤其是在早期预警雷达工作的低频波段。
诺斯罗普的早期设计方案和今天的B-21相当接近，菱形的翼身融合体插上两截延伸的机翼，前缘后掠，后缘呈W型，轮廓外沿严格采用平行线。设计演化迭代了5次：
最初的方案没有垂尾，水泡型驾驶舱尺寸很小，两个发动机进气口及倒V字型尾喷口的间距相当小，翼身融合部分面积很大，外翼长度非常短，机翼后缘安装了8段襟、副翼。鹰嘴型的机头前缘出自设计师迪克·谢勒（Dick Scherer)之手，这样的空气动力学设计有利于高亚音速飞行。
第2个方案取消了全部后缘气动面，安装了2个内倾的小型垂尾，尾喷口改为直线开缝式。
第3个方案变化很大，尾喷口前掠，取消了垂尾，改为在翼尖段安装类似翼刀的扰流板，并从发动机引气由翼尖向后喷出提供航向控制力矩，和“鹞”式战斗机的翼尖喷嘴差不多。不过“鹞”式是因为垂直起降阶段空速过低气动面失效，ATB则是取消活动部件降低雷达反射信号。翼身融合体面积大为缩小，提高展弦比以增大航程。驾驶舱隆起幅度增大形成背脊，增大了机内容积。
第4个方案又取消了翼尖扰流板，整个机翼一干二净，完全依靠翼尖喷气系统和两侧发动机的推力差控制偏航和滚转。
第5个方案显著增大了整体尺寸，机翼后掠角增大了6度；驾驶舱和背脊加宽，进气道隆起程度更高；恢复了外翼段的3具襟、副翼，其中最外侧是诺斯罗普拿手的开裂式阻力方向舵，同时增强了结构寿命和飞行操控性能。
在隐身机设计中动力系统的集成是一大难点，为了彻底阻绝地面雷达对发动机部件的照射，所有方案都把发动机深埋在厚厚的飞翼内部，进气道和排气管呈弯曲的S型，即使从前上方也无法直接照射到风扇。
1981年春天，诺斯罗普团队开始和ATB的最终用户 - 战略空军司令部的作战军官接触，战略空军司令部提出了很多轰炸机专业的要求，如无陆地参照系导航和更高的隐身性能。包括反隐身“红队”在内的空军分析师们一直在评估华约防空能力的发展，并将威胁信息反馈在对诺斯罗普的新要求中。
军方的项目总监是空军装备司令部航空系统中心司令迪克·思科菲尔德，他是一位拥有5800小时运输机经验的飞行老鸟，先后负责F-117和B-2两个绝密的隐身计划。早在ATB项目初期他就已经深度参与了B-2的设计过程，亲自在座舱内评估布局效果。他在这个职位上一干就是8年，从1983年直到1991年，从上校一路晋升到中将。
诺斯罗普团队中包括航空巨头波音，它才是轰炸机大家，生产过从B-17、B-29到B-47、B-52的上万架轰炸机，而且过去向来只做主承包商。在波音眼里“弱小的”诺斯罗普唯一的轰炸机经验就是30年前不成功的XB-35和YB-49两种飞翼，但是诺斯罗普掌握着业界领先的隐身技术，所以波音同意放下身段加入团队。事后证明波音的这一决定非常正确，波音从B-2项目中所获良多。
诺斯罗普先进设计团队在大洛杉矶霍桑市Chadron街一栋属于保密范围的红砖建筑内夜以继日地工作，项目经理Kinnu、主任设计师Waaland和航电负责人John Cashen三巨头极力驱动整个团队追赶紧迫的进度，以至被私下里称为“垃圾场的狗”。年轻的航空工程师们每周工作时间长达80-90小时，因为团队不断扩张，经常发生第二天上班时被新人占据了自己办公桌的事情。
> 当时的航空工程师们穿白衬衫打领带上班，只有周末加班才不用系领带
在CAD还十分原始的年代，B-2的座舱布局也是土法上马，用纸板剪贴拼装进行规划测试，设计初期采用的是侧杆，后来改为轰炸机飞行员更加偏好的中置驾驶杆。
诺斯罗普从航天飞机项目及整个南加州的航空航天行业中大量招聘高级人才。设计团队从几十人迅速扩张到接近一千人，不久他们就搬离了那栋红砖小楼，在西洛杉矶中央大道租了一整座玻璃幕墙大厦。
不同专业的专家在通过漫长严格的安全审查第一次接触到B-2的秘密时，无一例外都感到震惊。1980年7月加入团队的航空工程师道格·伍德回忆道：“让我震惊的是这居然不是一架战斗机”。1982年加入诺斯罗普4人合同小组的纽约律师瓦拉利·刘易斯-科德则震惊于她看到的合同数字，其中一份合同上白纸黑字写着90亿美元！她禁不住惊愕地问道“真的有90亿的合同？”一年后她所在的法律团队已经超过了100人。1983年加入的工艺师马克·塔科吃惊于气动设计和隐身性的复杂程度，并立即意识到对雷达吸波材料的结构要求会有多严苛。
每天一个奇迹
B-2在制造过程中有无数新工艺、新技术有待攻关、发明、验证，整个团队的座右铭就是“每天一个奇迹”。
新飞机设计制造流程中有一个节点叫做CDR - 关键设计评审，此时项目经理需要确认各分系统和所有设计细节都已完成。虽然B-2的重新设计导致项目进度延误了近8个月时间，它的CDR仍然定在了1985年12月没有改变。
为了压缩开发时间，B-2没有原型机，一步到位直接制造预生产型，第一架飞机就集成了全部任务系统，这也让CDR显得尤其重要。不可预知的事项从项目一开始就不断涌现，直到设计后期气动布局重新设计完毕之后，很多关键系统如雷达、导航都仍然在不断修改，甚至包括机组人数：战略空军司令部要求考虑在驾驶舱里增加第三名乘员的工作席位。
> 制造中的B-2驾驶舱
【 牙签 】
B-2的机翼前缘形状是全机隐身设计的重中之重，在早期设计中它采用的是刀锋一样尖锐的形状以降低雷达反射面积。但在冷战高峰期，战略空军司令部提出B-2在战时有可能不得不在计划外的机场起降，因此需要具备在任何能起降737的机场部署的能力。为了能够在高温条件下从跑道长度不足的机场紧急起飞，机翼前缘必须加厚以增加升力。如果前缘过于尖锐，低速高攻角起飞时机翼上表面的气流将沿展向移动，从而造成流向机翼后部的气流不足，在高温满载条件下机翼很容易失速，后缘的控制面也会丧失舵效。
常规飞机的解决方案因为隐身问题都无法接受，气动专家Sam Craig提出采用变截面方案，将原来厚度恒定的机翼前缘改为中间钝厚、两端尖锐的形态，就像牙签，让更多气流流向翼面关键部位。这也是B-2机翼前缘被称为“Toothpick - 牙签”的原因。
【 NCAD 】
作为全向隐身飞机，B-2的机体表面必须保持绝对平整以维持均匀的电导率，降低雷达反射面积。传统的飞机制造工艺都是从内部向外加工的，积累的公差会造成外表面高低不平，需用垫片进行微调，到处都分布着一些无关紧要的小隆起。但对B-2来说这些都是不可容忍的，因此必须彻底改变制造流程，任何加工工艺都不能穿透外部模具线，由外向内进行，设计、零部件制造和最后总装的全部数据必须完全一致。
> 正在人工剪裁复合材料蒙皮的技术员
制造过程中的每一步几乎都在打破常规，诺斯罗普决定将全部设计、加工工作转向计算机化，这在当时是一个革命性的创举。Kinnu组织投资由诺斯罗普自己的程序员开发了一套“NCAD - 诺斯罗普计算机辅助设计”系统，将过去的二维辅助设计扩展到立体的三维设计。
和复合材料一样，对CAD系统的投资为B-2项目乃至整个航空工业都带来了丰厚的回报，在不同团队、主要分包商和供应商之间共享机密CAD电子文档极大地提高了设计和生产准备的效率。三维CAD的应用让团队可以跳过很多零部件的原型设计制造，直接生产成品，设计、制造、测试几乎是同时进行的，节省了大量时间。B-2也成为第一种主承包商和分包商采用单一CAD系统和数据库设计制造的飞机。在90年代的一项调查中发现，2/3的美国航空航天工程师第一次接受CAD系统培训都是在NCAD上完成的，可以说诺斯罗普将航空工业带入了数字时代。
另外他们还开发了将部件移入、移出高压釜的机械手系统，把Pico Rivera变成一座未来工厂。为了建立B-2生产线，诺斯罗普投资了15亿美元，波音10亿，LTV8亿。
> B-2制造分工，波音负责外翼段、后机身、起落架、燃油系统和武器投放系统，LTV负责进气道段和发动机舱，剩余部分由诺斯罗普承包
【 隐身天线 】
B-2配备了2打以上的各种天线阵列，它们必须具备隐身特性以免增加雷达反射面积，但是当时的无线电供应商无法设计生产出“不产生辐射的天线” - 这太自相矛盾了。于是诺斯罗普不得不组建了一个由工程师和物理学家构成的内部团队，专门研究能在隐身环境中工作的雷达天线技术。诺斯罗普当时并不打算进入无线电工业领域，他们只是向供应商教授了如何设计制造低接获率天线的方法。
【 核任务 】
B-2从设计之初就负担有核打击任务，它的核防护措施在航空史上是空前绝后的。作为规划中的主力轰炸机，B-2被要求携带美国空军核武库中所有类型的弹药，从攻击加固地下目标的钻地核弹到9百万吨级的B53核航弹。战略空军司令部希望它能够在低空突防飞越核沾染空域后继续完成自己的任务，也能够抵御自己投放的大当量核弹或者苏联核战斗部防空导弹爆炸产生的剧烈冲击。
B-2依靠自己的隐身特性抵达目标区，但是那些为“沉默之蓝”研制的独特复合材料和雷达吸波材料完全不适合于核作战环境。1984年战略空军司令部对核任务提出了更高的要求，所有航电系统的设备机箱必须进行100%硬化加固。
团队花费了大量时间和精力测试既能保持隐身特性又能抵御核爆冲击波、电磁脉冲和γ中子辐射风暴的隐身涂层。有的材料通过了测试，但是因毒性太大无法大规模应用而不得不放弃。最终诺斯罗普研发出了可以耐受核打击的隐身涂层材料。
B-2可以高效地探测到核爆的闪光，迅速关闭全机的电子系统，这是避免电磁脉冲烧毁电子元件的唯一手段，脉冲风暴过后系统会自动重启。B-2全机核防护能力最强的就是驾驶舱，它拥有一套被动热防护系统，风挡玻璃除了嵌入细金丝编织成的雷达屏蔽层，还具有光致变色功能，可以在遭遇强光辐射的瞬间改变颜色，将光热辐射反射回去，这是一家供应商专门为B-2开发的新技术。
比核脉冲风暴更凶狠的是自然界的闪电，B-2的电子元件都进行了特别加固以应对强电流冲击，可以抵御闪电的直接命中，因此B-2是一架十分强壮的飞机，能够使用很长时间。
【 无处隐身的下线仪式 】
1985年10月到12月间，B-2顺利通过了CDR，结构设计绘图已经完成90%，但是只有20%的子系统完成出图，按计划也应该达到90%。任何未完成的部分都可能对系统的其它某个地方带来未知的风险。比如为了按时达到CDR节点，尾喷口热量对后机身影响的附加测试被取消，但数年后在试飞中发现后机身积累的热量出奇的高，问题延续多年之久。
原定于1987年12月进行的首飞被各种工程上的困难拖延了一年半以上，因为数量稀少且身躯庞大的B-2必须在日间进行试飞，像F-117那样进行长期秘密夜间试飞完全不可行，所以美国空军干脆于1988年11月22日为B-2 AV-1号机举行了下线仪式，正式公开了这一绝密黑计划。而“每天一个奇迹”也一直延续到了公开亮相这天。
当时受邀嘉宾和媒体被严格限制活动范围，官方发布的照片也只有B-2的正脸，以确保后机身特别是尾喷口等敏感部位不被曝光。此时B-2还未做好首飞准备，国会也坚持在试飞成功之前不会批准任何生产计划。
美国《航空周刊》的编辑迈克尔·多恩海姆发现空军因为疏忽在仪式当天没有关闭帕姆代尔的空域，他驾驶一架租来的塞斯纳172从仪式场地上空掠过，由随机的一位航空摄影师拍摄到了B-2的俯视图，独家揭示出尾部的丰富细节。这一行动完全合法，军方并没有追究。1916年成立的Aviation Week再创奇迹，被称为Aviation Leak - 航空解密。
但是事后媒体质疑如此严格的保密措施是否有必要且有效，因为从当天发布的正面官方照片上可以看到，场地前方特别设计喷涂的一颗蓝色五角星正是由B-2的轮廓构成的，尾部双W构型清晰可见。
每年年底都是我最忙的时候，这一篇拖了2个星期才写出来，而且又跑歪了。本来这篇准备写的是B-2的具体设计和装备情况，但是查到不少中文网络中从未披露过的研发过程细节，感觉这些幕后的理念、思路比性能数据、制造工艺更吸引人，也更有借鉴意义，所以花了大量篇幅介绍整个B-2计划的演变过程和重大修改的前因后果，探讨了B-2众多先进设计背后的“为什么要这样做”。