世界震驚：中國四代戰鬥機氣動設計已經遠超美俄

2010-12-31 09:22:05　來源: CHN強國論壇

四代的鴨翼相對主翼的位置比殲-10進一步靠前，增大了力臂，增強了效用，所以較小的鴨翼就可以達到很大的作用...

世界震驚：中國四代戰鬥機氣動設計已經遠超美俄

晨楓

  2010年底是中國軍迷的好日子啊。不僅四代現身成飛的跑道上，國安似乎也眼開眼閉了。其實這樣的大好事何必遮著掩著？外觀上能看出來的密根本就不是密。

  關於四代，國內外的傳說也有好多年了。開始的時候，人們都是將信將疑。這也難怪，殲-10折騰了18年才終成正果，四代在西方也是頂級技術，中國航空技術已經那麼先進了嗎？人們的懷疑是可以理解的，中國航空的飛速進步也是可以理解的。工程技術和科學發明不一樣，不是靠靈機一動，而是靠紮實、持續的不斷進步。綿陽的風洞群和中國自己研製的超級計算機提供了客觀條件，殲-10訓練了一支精幹的隊伍，梟龍和一系列項目不僅練手，而且可以漸進地嘗試新技術、新材料、新概念。美國航空在40-50年代的爆炸性發展也是這樣的，在戰時建立了完整的科研、試驗和生產體系，戰後迅速研製了一系列飛機（包括研究性飛機），交替前進，大步快跑。中國航空已經進入質變，進入跨越式增長期，我在10年前就壯著膽子說過這話，當時沒人相信。現在看來，沒有蒙錯。

  回到四代。快兩年前，四代已經風傳得沸沸揚揚，但四代的基本氣動布局都還爭不清楚。確實，F-22採用常規布局，YF-23也是V形尾翼的先進常規，F- 35依然是常規。俄羅斯的T-50還尤抱琵琶半遮面，後來也知道依然是常規布局。另一方面，沈飛對三翼面情有獨鍾，成飛在殲-10上對鴨式取得了很多經驗，珠海航展上又冒出來一個前掠翼的「暗箭」，四代到底會是什麼樣子的呢？現在知道了，是鴨式。這既在意料之外，又在情理之中。

  我在晨楓:【YY無極限】DIY設計中國第四代戰鬥機里對幾種氣動布局作了比較，按照隱身、超巡、超機動、設計和工藝難度分別打分，然後加權綜合，最後得出結論，四代最可能的氣動布局依次為：鴨式〉常規〉先進常規〉三翼面〉前掠翼。在對隱身、超巡、超機動、設計和工藝難度加權調整后，可以作靈敏度分析，避免加權選取不當造成結果的偏差，晨楓:【YY無極限（續）】換換口味重新計算，最後結論，不管空優為主，防空為主，空地兼優，技術有限，財力有限，或者數量優先，鴨式都是最優選擇，常規緊隨第二，三翼面只有在技術限制成為瓶頸的時候才躍居第三，否則是先進常規第三，前掠翼總是敬陪末座。看來在鴨式的問題上，又蒙對了。

  回到鴨式。鴨式對於超巡十分有利，對於超機動也同樣有利。無尾三角翼有利於實現面積律，這是人們早已熟知的。另一方面，由於隱身的需要，機翼后緣不應該是平直的，機翼后緣都帶有前掠可以在相同翼展情況下增加翼面積，降低翼載，並增加翼根長度，改善翼根受力情況，但這使得翼根后緣十分靠後，常規平尾的位置很難安排，F-22和T-50都只得在機翼后緣斜切一角，才能擠進平尾。由於平尾和重心的距離很近，力臂較短，只有用較大的平尾面積才能管用。

  T-50的平尾面積縮小，但如果力臂可以拉長的話，本來可以進一步縮小的。但採用鴨式布局的話，鴨翼在機翼前方，不和后延的翼根衝突，比較好解決。四代的鴨翼相對主翼的位置比殲-10進一步靠前，增大了力臂，增強了效用，所以較小的鴨翼就可以達到很大的作用。

  四代這樣的遠距耦合鴨翼的優點早已為人們所熟知，但為什麼在戰鬥機上只有歐洲「颱風」才使用呢？因為鴨翼可以有兩個作用：配平和渦升力。遠距耦合鴨翼有利於配平，但不利於產生渦升力。配平力矩強有利於加速改變機頭指向，渦升力強有利於穩定盤旋，兩者各有各的用處，但通過鴨翼的位置很難兼顧兩者要求。另一方面就是飛行員的世界，遠距耦合鴨翼常常遮擋了飛行員側下方的世界，十分不利於空戰格鬥，歐洲「颱風」就有這個問題。但四代的長度很長，鴨翼在飛行員肩膀后的進氣口上唇，對空戰視界的影響很小，那個角度就是不看到鴨翼，看到的也是機翼。

  根據測算，四代的機身長度達到21.30米，比F-22的18.92米和T-50的20.40米都要長，和米格I.42的21.60米差不多。四代的進氣口在機身兩側，機體本身較寬大，而極為噴口是緊密並排的，所以可以肯定四代的進氣道有相當程度的彎曲。加上DSI的有限遮擋，發動機正面不暴露在直射雷達之下是可以肯定的。四代機身為什麼那麼長現在還不清楚，有幾個猜想：

  1、 機內武器艙布置的需要

  2、 進氣道設計需要

  3、 翼面積和遠距耦合鴨翼的需要

  現在還不清楚四代的機內武器艙的大小和分佈，但有了那麼長達的機體，機內武器艙的空間應該比較充裕。F-22也是彎曲進氣道，但F-22的總廠要短很多，這可能是因為美國的進氣道設計水平和發動機長度的關係，也可能是F-22採用固定進氣道，而四代採用可調進氣道。

  四代採用了DSI，用三維複雜曲面的鼓包把進氣中的附面層迎面剖開，然後用壓力梯度頂到進氣口的兩角泄放。不過四代的DSI有三個特別的地方，一是不對稱，鼓包的位置偏上，而不像常規DSI的對稱設計，這可能是照片不清晰造成的錯覺；二是進氣口側唇口帶有后掠，這是世界上已知DSI中絕無僅有的；三是四代的進氣口是可調的，這也是第五代（是不是四代該改稱五代了？要不這也太彆扭了）戰鬥機中唯一採用可調進氣口的。

  成飛一定是世界上DSI經驗最豐富的飛機公司了，一口氣設計了三架DSI戰鬥機：梟龍04、殲-10B、四代。相比之下，洛克希德-馬丁只有F-35，研究機不能算。成飛在四代上採用這樣特別的DSI，是有道理的。進氣口設計需要做3件事情：

  1、 分離附面層，保證乾淨氣流進入進氣道

  2、 在大迎角下也保證正常進氣

  3、 在超音速飛行時把進氣氣流減速到亞音速，並增加壓力，也就是所謂的總壓恢復

  四代DSI恰好在這三個方面都用最小的折衷做到了。DSI本來就是用來分離附面層的，DSI的附面層分離效果好，阻力小，總壓恢復好，但DSI只能對一個有限的速度範圍優化，很難做到對很大的速度範圍都高度有效。另外，DSI的鼓包設計本來就相當複雜，需要考慮三維流場和壓力分佈。為了隱身，四代的機頭是菱形截面，進氣口是像V形一樣向兩側傾斜，在大迎角下流場更加複雜。為了改善大迎角下進氣口對空氣的「捕捉」效果，進氣口像F-15一樣帶一點后掠。為了不給DSI設計帶來太大的困擾，后掠沒有F-15那麼大。但V形機頭下半部的前機身預壓縮能力不足了進氣口后掠不足的缺憾。另外，正因為進氣口后掠，下唇位置靠後，所以鼓包位置偏上，和鼓包剖開造成兩撇「鬍鬚」的下一半的位置正好對上。

  四代之前，所有隱身戰鬥機都採用固定進氣口。固定進氣口簡單，沒有可動部件，雷達反射特徵小。從F-22開始，固定進氣口幾乎成為隱身戰鬥機的固有特徵，F-35、T-50都是固定進氣口。但固定進氣口只能對較小的馬赫數範圍優化，F-16採用固定進氣口之後，儘管推重比比F-104增加了40%，但最大速度相當，部分原因就是因為F-16的固定進氣口是為跨音速格鬥而不是最高速度而優化的，而F-104的進氣口是可以通過半錐可調，所以在更大速度範圍內保持最優。在超音速飛行時，進氣口的唇口也造成激波，氣流通過激波鋒面的時候得到減速。可調進氣口可以在不同速度下有效地控制激波的形狀和位置，使氣流達到發動機正面的時候為最優速度、最高壓力。不可調進氣口只能在設計速度做到這一點，在其他速度下，要麼氣流速度依然過高，發動機前面幾級壓縮機非但起不到壓縮機的作用，反而變成風車，使氣流減速到亞音速；或者速度過低，大大增加壓縮機的負擔。

  F-22採用加萊特進氣口，也稱雙斜切雙壓縮面進氣口，或者斜切菱形進氣口，不同的說法，都是一個意思。這個設計比DSI超音速性能好，適應的速度範圍更大，但畢竟還是固定進氣口，最終逃不過固定進氣口的限制。好在F-22有兩台變態的發動機，超巡沒有問題。T-50的超巡性能現在不清楚，T-50的進氣口和F-22有所不同，但大路子相似。F-35採用DSI，只有一台發動機，儘管變態，還是力不從心，最高速度只有M1.6，超巡就免提了。

  四代要做到超巡，但中國沒有F-22這樣變態的發動機，只有用可調進氣口來幫忙，達到足夠的超巡性能。四代的進氣口上唇可以下垂，像F-15一樣，這就是可調進氣口。和F-15不同的是，F-15的可調進氣口是暴露在外的，而四代的可調進氣口是包攏在進氣口結構內的。四代這樣做當然是出於隱身的考慮，但可能造成進氣口唇口較厚、阻力增加的問題。工程設計本來就是得失權衡的過程，只要最終結果得大於失，這就是值得的。不過四代的進氣口上唇下垂如何避免和DSI的鼓包打架，這還是一個有趣的問題，有待更多的細節圖片才能解惑。活動上唇和固定外殼之間不可避免的間隙里，如何避免雜物和塵土嵌進去，造成可調上唇動作受阻，這也是一個具體的工程問題。

  有的示意圖上，四代的鴨翼是箭形的，但從正面照片來看，鴨翼是梯形的。按照盡量減少邊緣角度的edge alighnment原則，機翼形狀應該和鴨翼一致，機翼、鴨翼前後緣對齊。如果最後證明鴨翼不是梯形而是箭形的，那也無妨，鴨翼和機翼的前後緣不一定需要左面對左面，左面對右面也是可以的。機翼採用M形或W形雖然也符合edge alighnment原則，但增加了內角和凸角，增加後向雷達反射特徵，能避免最好避免，只有在前掠后緣導致翼根長於機體長度的時候才不得已而為之。雙垂尾的形狀估計了鴨翼一致，有利於邊緣對齊。垂尾翼尖斜切一刀，估計機翼、鴨翼也有同樣角度的斜切一刀。米格戰鬥機的垂尾經常有這麼一刀，F-15的翼尖也是這個樣子，這是為了躲開翼尖渦流造成的額外阻力。

  四代的鴨翼是全動的，四代的雙垂尾也是全動的。已知戰鬥機中，只有T-50是全動垂尾，F-22和F-35都是常規的固定垂尾加可動舵面。全動垂尾和全動平尾一樣，都是飛控要求和水平提高的結果。傳統的橫向穩定的飛機設計中，后機身的水平方向投影面積應該大於前機身，這樣飛機就像風向標一樣，在橫向是自然穩定的。后機身是指整機重心以後的部分。現代戰鬥機的發動機佔了飛機重量的不小的一部分，飛機重心越來越靠後，所以機翼也靠後，造成F-18這樣機頭像仙鶴一樣長長地伸在前面的樣子。

  但這樣，后機身的投影面積就越來越依靠垂尾，一個垂尾不夠，有時還需兩個垂尾。雙垂尾還有額外的好處，可以把舵面差動動作（也就是同時向外，或者同時向里），充當減速板使用。像F-18那樣的外傾雙垂尾的舵面差動動作的話，還可以產生額外的壓尾力矩，幫助飛機及早抬頭，縮短起飛距離。外傾的雙垂尾還有降低側面雷達反射面積的的好處。對於遠處照射過來的雷達，入射角基本上可以等同於水平入射，直立的垂尾像鏡子一樣反射，外傾的垂尾就明顯降低了雷達反射特徵。不過外傾的雙垂尾在飛控上比較彆扭，不光產生偏航力矩，還產生滾轉力矩，要達到飛行員的無憂慮操作，需要較高的飛控水平。四代比這還進了一步，採用了全動垂尾。全動垂尾變被動的自然穩定為用主動控制達到方向穩定，好處是可以用較小的垂尾，重量和阻力都較小，雷達反射面積也小，壞處是對飛控要求進一步提高。四代採用這樣極端的技術，說明了成飛對先進飛控的信心。

  但四代飛控之變態不在於此，而在於可動邊條。在眾多側視圖中，不大為人注意的是鴨翼和機翼之間的邊條，有一條清晰可見的縫線，這隻能是可動邊條。四代的遠距耦合鴨翼注重配平作用，有助於敏捷的機頭指向，但對於穩定盤旋所需要的渦升力沒有太大的幫助。歐洲「颱風」在鴨翼和機翼之間增設了一對小小的擾流片，用於產生渦升力。四代大大地進了一步，鴨翼和機翼之間的邊條是可動的。由於和機翼在同一水平面上的緣故，四代的鴨翼略帶上反。一般說上反翼增強橫滾的敏捷性，但鴨翼面積太小，可能這點增強可以忽略不計。

  但鴨翼略帶上反，可以增強邊條的作用。四代的邊條是小小的，比較狹窄，畢竟在鴨翼後面，太寬大了沒用。但這不等於邊條就無所作為，尤其是邊條可以可控下垂。可動邊條可以強化渦升力，並且可以控制渦流走向。米格-29K也採用了類似的技術，不完全一樣，但思路相近。米格-29K的大邊條下有一對可以在起飛著陸是放下的擾流片，這一對擾流片大大增強了渦升力，所以不需要蘇-33那樣的鴨翼就可以實現航母上的滑躍起飛。不同的是，米格-29K的擾流片只在起飛、著陸時使用，對機動飛行沒有助益，四代的可動邊條在所有時候都可以發揮作用，這就是全新設計和改進設計的差別，也是飛控的差別。

  四代比較引人注意的「倒退」是那一對腹鰭。在傳統設計中，腹鰭是后機身投影面積的一部分，是為了降低過高的垂尾用的，在大迎角垂尾受到機體遮擋時，腹鰭的方向穩定作用也比垂尾更顯著。但四代採用全動垂尾的目的就是用主動控制代替被動的自然穩定性，在用腹鰭在道理上說不通。即使在大迎角垂尾作用受到削弱時，也可以通過副翼和襟翼的差動動作造成不對稱阻力，達成偏航控制。B-2和YF-23就是這樣控制的。

  事實上，所有第五代戰鬥機中，四代（又彆扭了不是？）是唯一採用腹鰭的，F-22、F-35、T-50都沒有採用腹鰭。T-50或許可以用推力轉向補充大迎角方向穩定性的主動控制，F-22、F-35可沒有這樣的能力，F-22的推力轉向只能上下動，不能左右動。事實上，在西方的第四代和四代半戰鬥機中，只有F-14和F-16採用腹鰭，F-15、F- 18、「鷹獅」、「颱風」、「陣風」都沒有腹鰭。蘇聯第四代的蘇-27有腹鰭，米格-29也沒有。那為什麼四代回到已經「過時」而且和主動控制思路相悖的腹鰭呢？有可能這是米格I.42的影響，這是可動腹鰭，用於大迎角時的主動控制，或者這只是四代技術驗證機階段的過渡措施，作為減小面積垂尾的保險。

  和F-22、T-50一樣，四代是雙發的。現代戰鬥機已經很少用雙發作為彌補發動機可靠性不足的手段了，採用雙發大多是因為單發推力不足，四代也是這樣的情況。這樣的重型戰鬥機只有雙發才推得動。現在還不清楚四代採用的是什麼發動機，按照慣例，非加力情況下的推重比應該達到0.7以上，才能保證M1.5以上的超巡。四代的正常起飛重量數據沒有公布，需要多少推力才能達到這個0.7無從估算。事實上作為一號機，採用現成的發動機也不奇怪，推力不足不足以達到超巡，那也不要緊，有太多的性能需要測試，等發動機到位了再測試超巡也不遲。另外，發動機噴口不像F-22的二維，甚至是否有推力轉向也不清楚。可以確定的是，沒有F-35那樣的鋸齒形噴口。也就是說，沒有對隱身有任何考慮。考慮到四代對隱身的精細考慮，發動機噴口正陽明顯的忽略很不可思議，只能認為這是測試平台，離生產型還有距離。

  關於四代，有太多的東西都不知道，連飛機型號都不知道。有人根據機號2001認為四代型號為殲-20，殲-11之後還沒有多少正式的型號，一下子跳到20 有點突兀，但也並非不可能。四代對殲-10是一個飛躍，用殲-20強調這個飛躍不是不可以。另外，殲-20在數字上和F-22比較接近，在心理上容易形成和F-22是同一代戰鬥機的印象，事實上四代也確實是瞄準F-22的。四代的發動機、飛控、火控、座艙、通信/數據鏈、武器，還有基本的重量、載油量、載彈量、翼展、翼面積，這些數據都不知道，現在能看到的只是地面的角度，飛起來後會能看到更多的東西。還有一些看到了也不清楚的東西，如機翼下兩對鼓包，這可能是控制面的作動器，但作動器的整流罩用不了那麼大，更用不了那麼長，可能這裡面包含電子對抗設備，或者是非隱身出擊時的外掛掛架。

  事實上，現在展示的就是技術驗證機也說不定，離最終的量產戰鬥機有距離也不奇怪。值得注意的是，四代應該是隱身、超巡、超機動的有機結合。現在還不清楚四代在這些關鍵性能上達到了什麼樣的水平，但可以確定的是，四代的隱身應該達到了相當高的水平。四代是美國之外世界上第一個採用整體式座艙蓋的戰鬥機。整體式座艙蓋在技術上要求相當高，不僅要有足夠的強度承受氣動壓力和鳥撞，還要保證足夠的透明度和無光學畸變，否則飛行員像老鷹一樣銳利的視力就像戴上了地攤上的廉價塑料眼鏡一樣，在空戰中要錯失戰機。採用整體式座艙蓋可以改善飛行員的視界，但整體式風擋（如殲-10）或者框架式座艙蓋（如F-35）的視界在實用中和整體式座艙蓋沒有原則性的差別，採用整體式座艙蓋的最大理由是消除風擋框架造成的雷達反射。隱身是一個系統工程，當隱身處理已經需要用整體式座艙蓋的時候，全機隱身的水平已經達到了不採用整體式座艙蓋就會實質性地影響全機隱身的程度了。換句話說，整體式風擋或者框架式座艙蓋的雷達反射特徵已經和全機其餘部分的雷達反射特徵可以相提並論了。這是很高的水平了。F-35、F-18E都沒有採用整體式座艙蓋，

  四代是中國航空衝擊世界最高水平的嘗試。短短20年前，中國航空連整體式風擋都無力製造。20年後，中國最先進的戰鬥機已經到了需要整體式座艙蓋才能維持全機隱身。這是非常了不起的進步。四代不光對中國航空是一個里程碑，對世界航空也如此，四代對美國、俄羅斯、歐洲、日本、韓國、印度甚至台海的影響都可以大書特書，但這是另外一個話題了。

俺不懂機械,但我的心情特別激動!!!願我那飽受欺凌的祖國日益強大!!!

往事並不如煙 發表於 2011-1-1 04:27
俺不懂機械,但我的心情特別激動!!!願我那飽受欺凌的祖國日益強大!!!

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榮幸!

殲十幾還是20不是重點,關鍵是殲擊機. 要依我,不用加編號,就都叫"殲擊機",升級換代不就是跟人長大換衣服是嗎,自家人知道幾歲,哪兒肥了哪兒瘦了,哪裡尺碼變了.工資漲了沒有. 對外人,就是同一個人,做不更名行不改姓,誰愛怎麼琢磨就去折騰吧.我們就是"走自己的路,讓人無路可走"