另類猛禽!----殲20之秘2 布局的困惑

二布局的困惑



    飛機設計是最艱難的科學，由於飛機設計指標幾乎是相互矛盾的，一個指標上去，另一個指標幾乎就下降了。戰鬥機追求各個空域，速度指標的平衡。



    僅僅拿飛機機翼面積來說，大面積機翼會降低翼載荷，提高飛機的亞音速機動能力，但是大面積機翼會降低速度，爬升力。而三角翼對於超音速是最有利的，但是嚴重提高了翼載荷，難以做出機動動作。在笨拙的重視超音速二代機F4，F5,F104之後，美國首先到了忍無可忍的地步，他們認為在掛載武器時候，戰鬥機之間很難發生純超音速空戰，他們從F15開始，彪悍地使用了低面積過載和高推力發動機的思路，而對於缺乏高推力發動機的而有技術基礎國家來說，是不可能採用這種跟風的。當F22出現，更是發展了這種彪悍的思路：用大后掠的蝶型翼—即加超音速性能又降低翼載荷和變態的F119發動機達到完美的平衡---如果沒有F119，朔大的蝶型翼是極其笨重的，這種思路非常簡潔，即使如此，優良的材料和隱身修形造成的飛控的複雜程度也是近20年其他國家望其項背的。



    沒有發動機，沒有材料，但是可以先做基礎研究，反正到了工程階段，這些問題差不多隨工業發展已經解決了，如果想造飛機，那就早點動手吧。要研究一架5代隱身戰鬥機，中國的科研人員和軍方首先要確認一些思路：



    1 它是輕型，中型還是重型？



    無可否認，儘管由於材料和電子技術的進步，戰鬥機的體積有越來越大的趨勢，一方面，對航程的需求，武器載荷要求越來越高，另一方面由於設備越來越複雜，連電子干擾設備也開始裝入機體。F16，殲10的航程與機動性已經不亞於重型戰機，但是它們的任務擴展性是遠不如重型機的。



    隱身的5代更提出新的標準，雖然俄國提出等離子隱身概念，但它離實用性還遠不可及。內部格艙那巨大的體積和類S形進氣道必然造成近乎巨大的體積。



    中國完全可以採用低風險低成本的中型5代，武器掛載採用類似隱身武器繭包的設計，重量依然不小，無論是任務擴展性還是隱身都遠不如重型的。



    中國從沒有獨立研發重型機的經驗，這一次，卻是例外！96台海危機的陰影一直在我們心頭。進攻性是不能不具備的需求！



    2 採用什麼樣的外型？



    1996之後，是時候檢視我們對策了。中國的研究人員仔細考察了F22的設計，同時原蘇聯S37和米格 1.42驗證機先後暴光，但是對於我們自己的飛機，設計人員對於落後的工業體系依然心中無數。



    採用類F22的常規布局是最穩妥的，但是中國和俄國都意識到：在材料和發動機落後的情況下，常規布局是沒有指望能夠與F22對抗的。在2000年前，中國與俄國在技術方開展了合作，但是沒有就第5代戰鬥機達成任何一致。可以肯定，在611所宋總的《一種小展弦比高升力飛機的氣動布局研究》發表之前，中國已經對第5代戰機的基礎進行了大量的研究，但是對於採用哪一種構型還沒有確定。



    這裡懶的寫，套用某大佬的原話：「宋老《一種小展弦比高升力飛機的氣動布局研究》論文中援引的方案是611上世紀90年代中期對四代氣動探索的一個過程成果，該方案的渦升力設計重點仍然在翼面形式的邊條、鴨翼、機翼的氣動耦合上；菱形機頭出於隱身和大迎角偏航穩定性的優勢被引入設計中，但尚未很好的融入整個布局，機頭渦被認為是鴨翼渦的一個不利干擾因素。今天的殲-10氣動是早期眾多方案中較為穩妥的一個，沿用了殲-9計劃中大量現有的風洞資料，而更激進的雙三角翼方案因為風險過大而被放棄；《小展弦比》一文中的邊條翼鴨式布局方案應該就是由早年落選的鴨式雙三角翼方案逐步演化而來。」



    宋老《一種小展弦比高升力飛機的氣動布局研究》在那時只是一種備選方案，沈飛也提出了自己的方案，在競爭中，沈飛601所似乎批評了鴨式布局的缺陷（以下會提到），闡明了三翼面對於配平，機動和升力的好處。但是有幾個問題是無法迴避的：三翼面對於RCS的增加比鴨式和常規布局複雜，對於阻力的增加更是發動機不能承受之重的。對此，601所似乎還有常規布局作為後備，正是他們自己的不確定性和無絕對把握使他們輸掉了重型機的競爭。



早期圖，據說為沈飛601所三翼面方案



    但是，611所的方案比常規布局更具有挑戰，為此，據說611下了軍令壯，於是殲20開始了它的真正腳步。



    鴨式布局自然意為在前機身兩側有一對鴨式前翼，世界強國就有初步的研究，鴨式的布局在二戰前就有研究，在1960年代蘇聯也對米格21進行了深入的驗證。但它們都失敗了，鴨式非常規布局一直沒有起步。而中國在力圖擺脫蘇聯影響的1960年代，也對所謂 「抬」布局進行了大量的研究。鴨式布局不是垃圾，但更不是超級布局，在1980年代前，飛控技術還不能解決鴨布局帶來的問題。只有在電子與氣動技術真正成熟起來，鴨式布局才遍地開花。



    在這裡我們依然引用大佬的原話：『



    「到60年代初，二代戰鬥機的氣動布局設計主要特點仍是保持附著流型以避免和抑制氣流分離；但對機動性的追求要求可使用迎角不斷加大，分離不可避免。隨著近距耦合固定鴨翼的瑞典SAAB-37戰鬥機將渦升力的應用實用化，實現了對氣流分離的控制和利用，脫體渦流型開始被廣泛的應用直到今天。戰鬥機對渦升力的應用，主要是依靠氣流從渦流發生器（鴨翼，邊條）前緣分離出穩定的漩渦，高速旋轉的氣流提高了機翼表面的負壓，漩渦強度隨迎角增大而增大，產生很大的渦升力，在升力線斜率上表現出明顯的強烈性，非線性。因此渦升力在帶來巨大升力收益的同時，也對戰鬥機的控制技術提出了同樣巨大的挑戰。從對渦升力的應用水平（同時也大致代表了主動控制水平）來看，三代機的氣動水平可以劃分為三個階段。第一個階段以F-15為典型，這種早期的三代機並沒有渦流發生器，沒有應用渦升力，靜穩定布局，控制增穩；第二個階段是F-16（真正的第一款三代戰鬥機）和蘇-27，以小邊條作為渦流發生器是其共有的特徵，並開始放寬靜穩定度，模擬電傳足以滿足控制需求；第三個階段，一方面是使用大邊條的F/-18E/F和我國的FC-1，另一方面是使用可動鴨翼的歐洲颱風，陣風，鷹獅和我國的殲-10，這個階段的戰鬥機都已經採用高度靜不穩定設計，模擬電傳已經不能滿足需求，數字電傳成為標準配置。總的來說，越大的氣動收益，就有越大的控制難度和風險。在常規布局戰鬥機中，作為俯仰操縱面的水平尾翼一般處在機尾的位置，在很多型號上為了追求最大的控制力矩，平尾還要延伸到尾噴管以後，一定程度上可以近似的認為氣流經過平尾以後便不再對飛機本身造成影響；而鴨式布局中作為俯仰操縱面的鴨翼放置在機翼之前，經過它的氣流還要持續的參與進整個機身的流場，尤其是鴨翼還身兼渦流發生器的作用，鴨翼狀態改變直接導致機翼上方渦流體系的變化，因此鴨翼偏轉對整機的影響遠比平尾來的複雜而劇烈。常規布局並非對渦流發生器兼具氣動操縱能力的優勢沒有認識，比如像可動鴨翼靠攏的可動邊條技術，但是因為效能和代價的問題並沒有實用化。更為複雜而劇烈的影響，就意味著更大的潛力。全動鴨翼的鴨式布局戰鬥機在氣動理論上和主動控制水平上的需求遠高於常規布局，包括三代後期的大邊條常規布局。這也是該類飛機普遍出現晚，飛行性能好的一個原因；一度有人把使用全動鴨翼的鴨式布局稱為三代半布局，如果僅僅從氣動和主動控制技術看，這個說法不無道理。



    但是凡事都有兩個方面：鴨式布局會帶來巨大的好處，但是鴨式布局不等於超機動，而是帶來比常規布局更好的渦升力和靜不穩定。對於發動機羸弱的國家來說，這是福音。但是也存在很多麻煩，除過飛控的複雜外，還有一個難以解決的地方。鴨翼可以有兩個作用：1、提供可控的渦升力，2、配平和俯仰控制。可控渦升力在前面已經提到，配平和俯仰控制是另一個巨大的作用，這正是鴨式戰機對比常規布局最難以解決的地方。



    任何飛機有重心和升力中心，要是兩者完全重合，飛機在天上就是平衡的。鴨翼雖然這兩個作用都可以做到，但不同位置的鴨翼對兩者有所側重。僅僅對於鴨翼的放置，就是令人頭疼的問題。



    「鴨翼的不同位置決定了設計思想的異同，事實上，如果忽略燃油消耗、彈藥投放等因素，重心是基本固定的，但升力中心隨速度、飛行姿態等移動，需要動用平尾（常規布局）或者鴨翼（鴨式布局）來恢復平衡，這就是配平作用。有意識的增減配平作用，自然就導致飛機受控地俯仰，這就是俯仰控制作用了。鴨翼雖然這兩個作用都可以做到，但不同位置的鴨翼對兩者有所側重。鴨翼靠前稱為遠距耦合，由於力臂長，用較小的鴨翼就可以實現配平和俯仰控制作用，這樣鴨翼造成的阻力和重量較小。適合高速飛行；壞處是遠離機翼，難以形成渦升力。鴨翼靠後布置的話，自然就使近距耦合。近距耦合的鴨翼常常和機翼有所重疊，鴨翼后緣在機翼前緣的頭頂上。近距耦合的鴨翼產生渦升力的作用明顯得多，有利於提高機動性，但力臂短，配平和俯仰控制作用降低，需要增加鴨翼面積，導致阻力和重量增加。鴨翼和機翼在上下有所重合，兩者之間的氣動干擾增加阻力。（方方）」



    這句話簡單地說，布局的矛盾僅僅在鴨翼的設置方面就困擾著設計者，美國在1980年對鴨式布局的研究比歐洲還深入，升力體邊條翼鴨式布局很早就出現了，1970年代NASA有個高機動技術驗證機（HIMAT）的17A方案就是採用此布局，但限於當時的氣動和控制水平宣告失敗。1997年5月NASA和波音聯合研製的X36鴨式布局驗證機首飛，該機採用升力體鴨式布局，隱身技術及其與飛行敏捷性的配合是其技術驗證重點之一；但可能在1980年代美國人認為：不管是遠距耦合還是遠距耦合，對於下一代戰鬥機都是不利的，這真是鴨式的悲哀。「鴨式布局的優點在敵人身上的。」這句話被牽強附會成鴨式的不隱身。但是中航早在1990年代就對鴨式的隱身進行大量的研究，美國人JSF鴨式布局和瑞典JAS39隱身布局證明：鴨式布局與常規布局隱身效果並沒有什麼不同。詳細請參看本人寫的拙文：《殲20之秘》http://***/data /thread/1013/2722/55/41/4_1.html。



1990年代中航鴨式隱身研究可以看做殲20的思路



    引用磚頭大佬的原話「鴨式的隱身設計原則和常規布局的沒有太大區別，一般來說不管是常規布局還是鴨式布局，他們的可動翼面都是按照巡航狀態來處理隱身狀態的，機動的時候基本不考慮或者只是做一定手段控制，但不限制指標。鴨式布局和常規布局設計的差別主要在於前向因為前翼的存在比常規布局多一個散射區，但集中輻射的原則還是不變的，前翼的前後緣平行，前翼本身可以採用效率比較高的結構性隱身，輻射的主要難點在於翼根部的機身部分，這和常規布局的前緣襟翼根部的難點一樣，處理方式也基本一樣，這方面正常布局和鴨式布局的rcs差別要到0.001以後才會體現出明顯的區別，前翼的存在較為複雜的是因為它們的尺寸比較小，對於一些中長波雷達外型隱身效果不佳，基本需要採用特定波段的窄帶吸收和專用塗層的配合才有比較好的效果，同樣的問題在常規布局上也有，他們在一些很少的特定角度上會因為機翼的屏蔽而佔據優勢。」綜合而言，鴨式布局因為機翼面積大，機翼根弦長，佔位多，隱身效果更好，垂尾機翼前翼分佈合理，干涉少，綜合周向隱身比常規布局略有優勢，但因為前翼的存在，前向隱身需要花費較大的精力和更複雜的處理方案，總體上來說鴨式布局和常規布局並沒有什麼本質上的區別，隱身和氣動綜合的難度差不多。」

                                                  

瑞典Jas39戰鬥機隱身方案



    美國設計師的本意是：鴨式布局要求飛控複雜，內部格艙難以布置，最重要一點，難以滿足F22對於各種音速空域都達到對敵人優勢的需要，既然有變態發動機和優良的材料和成熟先進的飛控，那麼何苦自找麻煩？F22為了突出超音速，利用大后掠的蝶型翼和變態的 F119發動機達到機動與隱身完美的平衡是自然的，在1990年代，美國深入研究后認為：這種平穩的設計依然可以壓倒世界20-30年。



    不管是近距耦合還是遠距耦合，對於下一代戰鬥機都是不利的，這一點原因何在呢？



     三  F22的強悍



陣風戰鬥機近距偶合，（鴨翼與主翼接近）根本迴避配平和操縱性的，兩隻前鴨翼很好地提供了渦升力，提高機動能力。但是配平能力很差，那麼亞音速性能強悍而超音速性能很糟，但是注意邊條上的鴨翼，法國人的處理極其完美。



      眾所周知，採用近距偶合為陣風戰鬥機和鷹獅戰鬥機，它們的設計是根本迴避配平和操縱性的，兩隻前鴨翼很好地提供了渦升力，提高機動能力。但是配平能力很差，而F22的設計是良好的亞音速性能外，還要更超級的超音速性能！它要求能夠在超巡上提前佔位，即不開加力能夠達到1.5馬赫巡航中的超音速機動！



    在超音速機動中，超音速滾轉機動對於無論是F22,T50,殲20都難以實施的，對於佔位和逃避來說，超音速滾轉機動具有完美的特性，但是五代機對於超音速滾轉機動是難以打開內武器艙，將導彈「連彈帶甩」發射出去的。如果要在超巡中搶先開火，那麼超音速盤旋性能是最重要的。這正是F22的最大優勢！



    很多人都宣稱超級巡航早已有之，如俄國稱米格25如何，其實只是大推力發動機加推后變為不加短暫超音速飛行而已，而英國稱其早期閃電機能夠在1.1馬赫巡航，而某些國人稱殲12能夠以0.94馬赫不開加力巡航，可以稱亞超巡！



    但是這些飛機都無一例外的都是假超巡，更是沒有能力進行超音速機動，F22可以伴隨1.5馬赫巡航中的高G超音速機動是無與倫比的，而上述飛機中最著名的米格25，由於配平落後，在超音速飛行中極其笨拙，被美國人稱為「逃跑一流，攻擊三流！」



    還是引述方方大佬的話吧：「超音速機動性能是 F-22 的設計重點之一，也是該機與第三代戰鬥機的「代差」標誌之一。除了前述超巡、超音速加速/爬升性能外，超音速狀態下的盤旋能力也有明顯提高。有資料稱，該機在 M1.7 時穩定盤旋過載可達 6.5G。考慮到 F-15 在同等條件下盤旋能力遠遜於此，而蘇-27 在 M0.9、中空才達到這個水平，不能不說這是一個相當驚人的進步。



    　　能夠達到如此之大的超音速盤旋過載，發動機是一個重要原因，而同樣重要的還有飛機的超音速升阻比和配平能力。



    　　關於升阻比，不難理解。要拉出足夠的過載，機翼就必須產生相應的升力，伴隨而來的就是誘導阻力的急劇增大（誘阻係數與機翼迎角平方成正比，與機翼展弦比成反比）。如果誘阻係數太大，誘阻增長極快，那麼很快就會抵消發動機的剩餘推力，飛機雖仍可能拉出較大過載，但發動機推力已不足以維持穩定飛行，當年的幻影 III 瞬時盤旋性能好而穩定盤旋性能差，正是為此。以現代航空技術水平而言，要設計出具有高升阻比的機翼或者具有良好超音速性能的機翼均非特別困難，但要將兩者合而為一卻非一日之功。這也是 F-22 足以自傲的一點。

    　　而配平能力則往往容易被人忽略。機翼的高升力是拉出大過載的基礎，但升力越大，產生的俯仰力矩也越大。如果飛機自身不能提供足夠的俯仰配平力矩，那麼要麼進入上仰發散狀態而失控，要麼被機翼升力產生的低頭力矩壓回去，無法拉到需要的迎角。特別是在超音速條件下，飛機焦點大幅度后移，機翼升力產生的低頭力矩相當大，進行超音速機動需要更強的配平能力。以超音速性能著稱的米格-25，就是由於配平原因而無法進行較大過載的超音速機動——該機超音速平飛時，平尾偏轉就已接近極限，能用於超音速機動的余量相當小，所以雖然機體可以承受更大的載荷，但 M2 時的最大盤旋過載僅有 3G。「



        也就是說，F22的可怕不僅僅在於它的隱身，而是近乎無解的超級巡航能力和高G超音速機動，在美國的演習中，F22即使攜帶角反射器不再隱身，F15,F16三代機也很難攻擊它，F22可以利用超級巡航能力和超級音速機動提前佔位發射導彈，使導彈提升更高的攻擊速度！這意味著更先一步的攻擊能力，即使攻擊失敗，F22可以立刻脫離，重新佔位攻擊，而三代機則根本無法跟上F22的節奏。



    在演習中，美國飛行員這樣說：「我們在對抗F22的過程中，只要F22進入超級巡航階段，對抗就基本結束了，我們就是將加力開到最大也無法追上的，我們追趕幾下，一句『賓果』（沒有油了，基本戰鬥機都是加力才能進入超音速，是極其耗油的）就告演習結束，帶我們到加油機身邊，而F22還有很多燃油。如果F22不是速度王者，那我反而不是它的支持者。」



    「這傢伙是為速度而生的。」



    一句話，配平，升阻比決定超巡和超音速機動，渦升力決定亞音速機動和升力，但是在鴨式飛機上，它們是嚴重矛盾的！而4代戰鬥機，它恰恰要求這兩者都要拔尖！



    「鴨式布局的優點在敵人身上的。」



      "要解決配平問題，一是大幅放寬靜穩定度，將飛機焦點前移。這樣超音速飛行時飛機焦點雖然仍會後移，但距離重心近，產生的低頭力矩相對較小。不過，這樣一來飛機在亞音速大迎角機動時同樣會面臨配平問題——這次是配平機翼產生的抬頭力矩。被媒體過分渲染的近耦鴨式布局，由於鴨翼距離重心較近，配平能力不足，F-16 的總師哈瑞·希爾萊克就曾說過：「鴨翼最好的位置是在別人的飛機上。」（方方）



    怎麼辦？中國研究人員如何破解這一魔咒？？？



    對於中國設計者來說，鴨式布局的誘惑如此巨大，但是怎麼解決這一矛盾？！



    （結束，敬請期待下部，本人很懶，上文大段引用大蝦們在2-3年前的原話作為說明，下篇中，本人將根據自己掌握的一點知識對殲20的研發做出理解闡述）    重點在於殲20的設計思路和性能。爭取16日晚上之前把坑填了。



      在本文不會存在「六大技術領先世界"之類，而是描寫一個整體客觀的殲20，一個艱難誕生的殲20，一個對抗F22的殲20。