惊呆:我国航空专家推出“圆盘战斗机”!

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导读:本文是中国航空史研究会副秘书长兼航空博物馆飞行技术顾问程昭武在2006年11月中国航空博物馆建馆20周年庆典所作发言。   在飞机发展的百年历程中,存在这样一种现象:由于飞机设计部门在飞机外形或功能的设计上因袭习惯的模式,致使飞机设计和制造技术的巨大潜力不能得到最大限度的发挥。例如,在上个世纪30年代,对于双机翼式飞机布局的留恋,耽搁了单翼式飞机的发展(早在1907年,法国人罗贝尔.埃斯诺.佩尔泰里已经制造了具有现代单翼式飞机基本特征的R.E.P型飞机);40年代,对于前缘后掠平面形状机翼的疑虑,影
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本文是中国航空史研究会副秘书长兼航空博物馆飞行技术顾问程昭武在2006年11月中国航空博物馆建馆20周年庆典所作发言。


在飞机发展的百年历程中,存在这样一种现象:由于飞机设计部门在飞机外形或功能的设计上因袭习惯的模式,致使飞机设计和制造技术的巨大潜力不能得到最大限度的发挥。例如,在上个世纪30年代,对于双机翼式飞机布局的留恋,耽搁了单翼式飞机的发展(早在1907年,法国人罗贝尔.埃斯诺.佩尔泰里已经制造了具有现代单翼式飞机基本特征的R.E.P型飞机);40年代,对于前缘后掠平面形状机翼的疑虑,影响了喷气式飞机性能的提高(1935年,在罗马举行的第5届沃尔塔高速飞行学术会议上,德国科学家阿道夫.布施曼已经提出了后掠翼的概念):50年代,对于机翼层流附面层的过分追求,忽视了在飞机设计中对涡流升力的利用(1953年,冯.卡门还在强调保持机翼层流附面层对飞机设计的重大意义,但70年代出现的高机动战斗机却是从湍流附面层里得到好处的)。

随着信息化时代的到来,人类社会对新概念飞行器的需要和设计这些飞行器的条件已经出现。审视飞机设计中的观念滞后现象,有利于自觉地推动飞机设计技术的发展。 

本文试图以战斗机种为例,就其设计观念的更新,加以探讨。

◆一、"机头指向"还是"武器指向"?


在第一次世界大战(1914~1918)初期,飞机在军事上的使用领域迅速扩大,由侦察机发展成为战斗机。最初的空战方式是由驾驶员操纵飞机,由射击员(或观测员兼)操纵活动机枪射击目标(这种模式可以称为"武器指向")。在机动飞行的飞机上,这样的射击很难瞄准,而且驾驶员与射击员之间也不便协调。

1915年,法国著名的特技飞行员罗兰德.加罗斯(Roland Garros,1888-1918)提出:使机枪固定在机头前方,沿飞机纵轴发射,让飞行员顺着自然视线瞄准,才能收到良好的射击效果。这就形成了战斗机的格斗射击概念,也可以称为"机头指向"的模式,这种模式一直沿袭至今。

20世纪40年代中期至50年代中期,空空导弹开始使用。初期的导弹需要载机实施尾追攻击和制导,当然属于"机头指向"的作战模式。60年代以后,近距格斗导弹的离轴能力大大提高,远距拦射导弹可以连续发射多枚导弹和攻击不同方向的目标。但载机必须在离轴发射的导弹导引头的可偏转角度或机载雷达天线的扫描范围之内概略地指向目标,所以仍然不能脱离"机头指向"的模式。

为了"武器指向"必须采取"机头指向"的作战方式,而这种作战方式要求进攻飞机在发射武器前做急剧的机动,这不仅降低了快速反应的能力,也给飞机设计增加了难度。然而在现代高速战斗机上尝试采用"武器指向"的设计,由于受到飞机布局的限制和设置瞄准系统困难等原因,至今尚无成功的先例。我国在论证歼轰7飞机总体方案时,曾有人提出在其尾部安装炮塔的意见(属于"武器指向"的概念)。这一意见未被采纳,如果真地照其办理,飞机的阻力势必增加,机动能力也将有所降低,歼轰7可能就变成了轻轰7了。

导弹越肩(向载机后方)发射或擦肩(向载机侧方)发射的提出,反映了对避开"机头指向"直接实施"武器指向"的要求。但在常规布局的战斗机上,实现这种作战方式,还有很大的难度。

那么,能否找到种新的飞机布局形式,再赋予它一种新的瞄准体系,从而实现"武器指向"的作战方式呢?这种作战方式的探索如能取得成功,无疑能大大提高战斗机在空战中的快速反应能力,也有可能降低对战斗机机动性能设计的苛刻要求。


◆二、"倾斜转弯"还是"水平转弯"?

 飞机在水平面内的等速转弯(改变航向)360°的转弯也称盘旋,是空战飞行机动飞行的关键动作。飞机的转弯是靠飞机倾斜(倾斜角为Y),机翼升力(Y)在水平面上的分力(Y2=Ysin γ)起向心力作用而实现的曲线运动。人类第一架载人上天的飞机发明人莱特兄弟,在他们1903年试飞的第一架飞机"飞行者1号"上,最早确定了飞机的这种运动方式。他们通过探索操纵机翼翼尖扭转,使机翼升力左、右不平衡而造成飞机倾斜。在飞机转弯中,方向舵的作用(和自行车的车把的作用相似)只是消除侧滑角(相对气流与飞机纵轴的夹角)的。

在航空早期,由于惧怕失速,飞行员在转弯飞行中,不敢使飞机倾斜坡度超过20°。1912至1913年间,俄国飞行员聂斯捷洛夫(Petr Nikolaevich Nesterov,1887~1914)首先完成了大坡度盘旋(飞机坡度超过45°)特技飞行动作。在空战格斗中,用得最多的就是这个动作。 飞机倾斜转弯时,用于平衡飞机重力(G)的垂直分力(Y1二YCOS Y)要小于升力(Y),而且飞机倾斜坡度(Y)越大,它就变得越小。为了保持飞机高度不变,飞行员就要增大飞机迎角(攻角),使升力(Y)增加,保持升力垂直分力(Y,)与飞机重力(G)相等;同时要加大发动机的推力,克服增大的阻力。升力(Y)与重力(G)之比为过载(ny=Y/G)。过载超过4-5时,飞行员生理上已难以承受。采用抗荷服和随过载而后倾的座椅等措施,可以使飞行员承受过载的能力提高约1倍。

在空战格斗中,交战双方争夺尾部追击的有利位置,当盘旋速度(V)一定时,极力增大飞机坡度(Y),增大飞机过载(ny),缩小盘旋半径(r=V2/gtg Y)和提高盘旋角速率(w=57.3gtg Y/V)。这一切战术要求,留给战斗机设计者的难题归结起来就是:最大限度地提高机翼的可用升力系数(实质上是升力曲线的抖振边界)。然而,在适合高速飞行的机翼上每提高0.1的升力系数(Cy)都要作出巨大的努力,而且近30年来,在这方面收效并不明显。采用动力升力和矢量推力技术可能是未来的出路,但在这方面还要付出更大的代价。

上个世纪50年代初,朝鲜空战经验证明:重量较轻的飞机如米格-15(最大起飞重量5.405吨)有较好的机动性能。此后,我国仿照苏联的米格-17、19和21研制的歼-5(5.909吨)、歼-6(8.830吨)和歼-7(8.655吨)的最大起飞重量都在10吨以内。1965年开始研制的歼-8(16.580吨)刚刚超过10吨,立即在一些飞行人员当中引起疑虑,担心它的机动能力会受到影响。1969年研制的歼-12起飞重量只有5.295吨,的确有很好的机动性能,但其燃油、设备和武器装载的能力必然受到限制。可见,在现代战斗机上利用减重来达到提高机动性能的潜力是有限的。国外和歼-12同期研制的战机,如:F-14(33.724吨)、F-15(25.400吨)、鹞(11.340吨)、米格一27(20.750吨)苏-17(17.700吨)、狂风(26.490吨)、幻影F.1(13.700吨)、幼狮(14.600吨)和萨伯一37(20.500吨),它们的最大起飞重量都在10吨以上,甚至有的超过30吨。它们分别利用降低翼载荷、增大推重比、采用可变后掠翼或利用涡流升力等措施来提高机动能力。但以上措施的潜力都已被发挥至极致。

尽管超视距攻击正在成为空战的主要方式,但仍无法排除与漏网的敌机和意外遭遇的敌机之间会用航炮和近距格斗导弹进行格斗空战的可能性。事实上,各国正在研制的新一代战斗机,仍然是将向机动甚至超机动(过失速机动)作为主要的战术技术指标。 k

实现机动性能指标日益提高,使战斗机的设计陷入困境。既然如此,为什么不让飞机放弃倾斜转弯的运动方式?船在水里可以操纵舵改变航向,而飞机为什么不能只靠偏转方向舵而转弯呢?这是因为飞机具有航向(方向)安定性的缘故。飞机的方向舵偏转时,产生一个偏航力矩(方向操纵力矩)。伴随而来的是航向阻转力矩和航向安定力矩(像风向标一样)。当偏航力矩和阻转力距加航向安定力矩相等时,飞机就平衡在一个侧滑角(B)上。这时作用在飞机重心上的侧力(Z)的合力起向心力作用,使飞机向侧滑反方向迟缓地转弯;但同时,因侧滑引起的左、右机翼升力不平衡,造成飞机向侧滑反方向(即转弯的方向)倾斜;由于侧滑带来飞机的阻力增加,飞行速度减小,升力降低;如没有飞行员的干预,飞机最终将进入盘旋下降。那么,能否找到一种飞机气动布局,它可以不受航向安定性的束缚,而能做无倾斜的转弯?这样的飞机会具有非凡的机动能力。它可以在几秒钟的时间内机头指向任何方向。而目前世界上机动性最好的战斗机,盘旋一周的时间却需要20-30秒。此外,战斗机的设计师们也就可以从追求高升力的梦魇中解脱了。

◆三、"武器平台"还是"信息平台"?

从第一次世界大战之初,敌对双方的侦察机互相用手枪射击开始,战斗机就已经是"武器平台"。但当战争进入信息化时代之后,对这一理所当然的观念也有必要重新审视。

在信息化战争中,战斗机和其他作战单元一样,只是C4ISR系统中信息栅格(grid)上的一个节点。它首先是一个"信息平台":它探测信息、接受信息、处理信息也传输信息,在条件具备时发射武器。所以它作为"武器平台"是有条件的,而作为"信息平台"是无条件的。

现代战斗机的设计中已经很重视它的电子信息技术的含量和信息作战的效能。据统计,在现代战斗机上,电子信息技术的平均成本已占装备总造价的50%以上,而隐身飞机则超过60%。

然而,战斗机长期以来是按照飞行性能和投放武器的需要设计的,信息战所需要的各种传感器和设备的安装只是见缝插针而已。例如,雷达天线只能装于机头前方,机身的横截面积又限制了雷达天线的尺寸和探测范围。即使专门执行信息战任务的预警机,也大多是在现成的运输机或轰炸机上改装而成的。

那么,是否可以在战斗机设计的初始阶段,就按安装各种信息传感器的需要和发挥其最佳性能的需要来选择飞机的外形呢?

◆四、一种新概念战斗机的设想

为了验证设计观念改变对于飞机设计实践的影响,中国航空博物馆的研究人员在常规技术的基础上,提出一种圆形机翼战斗机的设想。希望它能体现一种与传统不同的设汁观念。

(一)对圆形机翼战斗机的描述 选择平面形状为圆形(碟形)的机翼。机翼中央为大型雷达(包括其他传感器)舱,可对飞机上、下部空间进行全方位扫描。机翼后部设置上反角从0°一90°可变的尾翼组。尾翼上装有升降副翼,可以实现飞机的纵向和侧向操纵。尾翼保持V形状态时,可以使飞机获得纵向和方向安定性。圆形机翼的左、右顶端上表面设有扰流板、可起方向操纵作用。 机翼下方设有可360°旋转的导弹挂架。机头(圆形机翼的前缘)装有航炮。

(二)圆形机翼战斗机的特点

1.在超视距攻击时,它可以利用挂架旋转,使导弹直接指向目标,而无需飞机做机动转弯(与常规布局相比,圆形机翼下方可以安装环轨形的轴承,便于实现导弹挂架的旋转;挂架在圆形机翼下方旋转也不致造成大的气动干扰)。

2.在近距格斗时,使尾翼处于水平状态,消除飞机的方向安定性。飞机可以靠圆形机翼左、右端的扰流板的阻力绕立轴旋转,实现无倾斜转弯,快速指向目标。(注:急剧地无倾斜转弯时,飞行员将被离心力压向座舱壁的一侧,可以采用可倾斜或可转向座椅:飞机尾翼的后掠角也会产生一定的方向安定力矩,可以用偏转副翼来消除,或采用前掠式尾翼

3.机翼中央的人型传感器舱,需要时可 以旋转也可以升降,以便对外部空间进行全方位探测。

(三)圆形机翼飞机的性能估测

1.圆形机翼的展弦比(入)只有1.27,波阻很小,适于超音速巡航。

2.圆形机翼的最大升力系数(Cymax)和最小阻力系数(Cxmin)之比高达110,有利于扩展飞机的飞行包线和获得较好的低速特性。 

3.圆形机翼可以设计成最理想的翼身融合体,有较小的浸润面积和跨音速阻力,而且有极佳的隐身特性(美国的"暗星"无人机就是利用扁平的机身和圆形前缘,取得超乎寻常的隐身性能)。

4.上反角可变的飞机尾翼在超音速飞行时转向垂直(上反角90°)的位置,用以增强方向安定性和抑制焦点后移。

(四)圆形机翼战斗机的前景 ):

如能采用丰动控制技术和矢量推力技术,圆形机翼战斗机的尾翼可以摒除,变成了一个真正的"飞碟"。它可以实现垂直起降、零半径转弯、直接力控制和很多非常规的机动飞行。 本文旨在通过战斗机的实例,说明更新设计观念对于挖掘和发挥飞机设计和制造技术潜 fM #U 

力的重要意义。在其他机种的设计中,也存在着同样的道理。

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