枭龙性能深度分析:基本上能对抗苏-30米格-29

FC一1是中国第一种自己全新设计、主要面向外贸的轻型高机动多用途战斗机,预备替代“幻影”Ⅲ/5、Q一5、J一7、F一5、米格一21等第二代战斗机和F一16A/B、“幻影”2000等早期三代机。该机最大起飞重量12吨左右,载弹量4吨左右,主要任务是夺取制空权,次要任务为对地攻击。


对于该机的性能,用户方巴基斯坦的要求是价格不超过1500-2000万美元,必须具备优秀的超视距攻击能力(BVR)和不逊色于三代机优良的机动性,其主要设计目标是全面超越巴空军现用的F一16A/B,能正面对抗印度装备的米格一29、苏一30和“幻影”2000C。同时,中国空军由于全新的三代战斗机价格太高,有可能购买几百架FC一1作为高档战斗机J一10、J-11的补充,形成高中低搭配。


由于定位在低端,该机的价格成本受到严格限制,这是研制计划存在的基础。特别是考虑到让工业基础较差的巴基斯坦也能够进行批量生产,选用的材料、技术工艺和设备是重点考虑的部分。这是中国首次价格决定技术的全新尝试,先于美国JSF的可支付性要求,也是中国在商业化管理运作下、首次先进战斗机研究开发计划。在价格限制下,机上的设备应该尽可能采用便宜、成熟产品。这是一种自上而下的全新设计思路,用预先给定的整机系统价格,逐级控制各个分系统的价格,以达到总体费用达标。这种设计思路下的飞机讲究成熟、可靠,研制风险相对较小,但是不足之处是由于费用限制,往往不能采用最先进的技术和设备,性能受到很大限制。


FC一1设计过程中不可避免的遇到战术条件要求改变、追加设备、要求提升性能等问题。既要设备先进又要价格便宜让计划不可避免地出现了一定的拖延,同时价格也从最初的不超过l 500万美金变为不超过2000万美金。美国JSF也是类似的设计思想,但是由于其工业基础极为强大,他们所谓的成熟技术、便宜产品不再是从别的尖端战斗机上面经过长期试验、成熟后经过修改而得到的,而是采用发展速度和应用步伐都比较快的民用组件,或者是经过验证的简化军用技术。采用民用技术组件后,飞机性能会稍有降低,但是从可靠性、维修性、通用性、使用费用和全寿命价格方面得到了极大的好处。这样做最明显的优点,就是可以用相对较低的价格和较高性能的飞机占领原来F一16、F一18的市场。只是现在因为技术复杂性和不断叠加的高技术要求,导致飞机比最初预计采购价格高了一倍以上,但由于没有同类产品竞争前景仍然看好。


FC一1 发动机采用比较便宜可靠的俄罗斯RD一93发动机。该发动机是著名的米格一29的唯一动力装置一一RD一33的单发型。RD一33拥有20年以上的使用历史,稳定性好、表现泼辣,能够让米格一29完成诸如尾冲、“眼镜蛇”等高难动作而不出现异常状况。但是其主要不足就是推力还不够大、推重比偏低、寿命也比较短。在中国暂时没有类似推力级别涡轮风扇发动机的情况下,RD一93这种便宜的发动机成了唯一的选择。为了应付不可预知的风险,国内也开始研制RD一33的仿制改型——FWS—13。后者的各种指标比RD一33有一定提高,不过成熟要稍待时日,估计2010前后能装机使用。FC一1的航电系统大量采用成熟产品,直接使用国内其他型号战斗机成熟设备的简化型号,如直接从第三代战斗机挪用过来的8 X 6英寸 液晶显示器、敌我识别系统、导弹告警装置、简化机载脉冲多普勒雷达和多余度电传飞控系统等等,节省了大量研制、试验时间和费用。


FC一1的设计采用最先进的无纸流程,以及CATIA这种功能强大的计算机辅助设计解决方案,可以构建虚拟现实的三维飞机结构,能预先进行虚拟装配和调试,使设计制造周期大大减小,错误返工率急剧降低。中国在10年前就开始应用这款由达索系统公司开发的软件,其在B777、B737一X、B787和A380等著名客机上也有超过10年的成功应用。该软件现在已经普遍推广到整个世界航空工业,使飞机设计和制造真正进入数字化时代,实现数字化设计、数字化制造、数字化检验和数字化装配,大大提高了设计制造效率、装配精度,使设计修改变得极为快捷方便,也利于提高工作效率。现在的做法往往是配合并行工程的开展,使得以前的“设计--I装一零件一装配一检验”一条龙模式,变成了并行流程,真正达到设计、强度、气动和制造、检验、维护等部门同时开始工作,大大提高工作效率。这是一个真正和国际接轨的进步。


FC一1为了降低造价和使用成本,大量使用了常规材料和工艺,制造和设计难度比较小,类似于J一7E。其选材方面基本是:钛合金很少使用,绝大部分为常规的铝合金,复合材料仅在操纵面和雷达罩上使用,但是出人意料的在部分操纵面上使用了原来仅见于新型歼击机的灰色柔性材料。为了降低制造费用和维修难度,机身蒙皮使用小尺寸蒙皮进行拼接。从一些公开的装配照片上可以看出,很多机身零件都为钣金成型,造价低、方便生产,但是不足之处是造成飞机结构重量有所增加。而从公开的电子样机图像看来,在关键的框上应该使用了高强度预拉伸铝合金厚板机加框。这样的工艺材料选取比较能够配合巴基斯坦和其他第三世界国家的现有工业基础,方便输出生产线技术、提高出口竞争力。就是在这种条件限制下,FC—1战斗机的结构寿命依然比传统国内战斗机高150%,结构重量系数并没有明显增加,载荷限制还从7.5g提高到9g。尽管没有什么特别突出的地方,但考虑到在价格和材料选取限制下达到这样的水平还是非常不容易的。这也能看出中国在材料和加工工艺上的巨大进步。


气动及飞行性能评析


FC—1设计要求类似于F一16,要求有突出的亚音速机动性,同时兼顾一定的超音速性能。为了控制价格,该机尺寸、重量设计点取值偏小,气动布局和结构大量借鉴F一16,并针对其不足作了很多调整。从FC—1的机翼、尾翼和机身都可以明显看到F一16的影子。该机最明显的气动特征之一是两侧布局的DSI进气道。这是一种F一35战斗机上才开始应用的、最先进的进气道设计技术。采用这种技术不仅可以大幅度减轻重量,还能提供更好的超音速飞行性能。机翼设计也比较特别,选择了大型哥特式尖拱型边条。这种边条比F一16较窄的内凹边条性能好很多,能够提供强力而稳定的涡升力;加上机翼设计上选择了更低的翼载荷,可以以较小的迎角飞行。在两机展弦比相同的情况下,FC一1的亚音速升阻比应该比F一16更好。

同F一16一样,FC一1采用了计算机控制的变弯机翼设计,但不同的是将副翼独立出来。这能让飞机横向控制更为有效,且不会在纵向机动时影响横侧机动性。同时,由于大边条和机翼的结合,FC—I升力斜率比F一16大,升力系数也较大,特别是同样迎角下的实际升力系数更大,非常有利于在盘旋中取得对F一16的优势。由于气动设计倾向于亚音速机动性,FC—l高速阻力较大。为了不使飞机超音速性能下降太多、尽量降低迎风面积,FC一1使用了较低矮的座舱,但飞行员坐姿较高,视野优于“幻影”2000,优先保证了前视野,一定程度上牺牲了后视野。不过,即便是F一16这样的气泡式座舱,要想在绑着安全带作机动的时候绕过弹射座椅去看尾后目标也是很困难的。并非所有的西方战斗机都设计有这样的视野,同样也有很多采用带后视镜的设计。因此以FC一1的实际情况来考虑,牺牲一些后视野换取阻力的降低还是值得的。


在进行战斗机机动性能对比时,一般采用两种对空战具有决定意义的曲线(瞬等值曲线和SEP等值曲线。采用这两种曲线的依据是战斗机的瞬时盘旋角速度(瞬和单位重量剩余功率SEP是反映战斗机空战格斗机动能力关键参数。实践表明,喷气战斗机空战最关键的性能参数是瞬时盘旋角速度。因为目前很多国家空军战机已经装备了具有大离轴角发射能力的空空导弹,所以只要将机头稍微对着目标,即使本身速度在逐步下降,由于导弹加速很快,仍然可以发射并有效攻击目标。


现代空战一般都把飞机拉到最大可用升力系数以便快速掉转机头,有些三代战斗机的最大瞬时盘旋角速度已经达到30度/秒。典型的三代机如F一16A,其最大瞬时盘旋角速度能达到26到/秒,这一性能主要和翼载荷有关;其后期型号重量增加了近2吨,但机翼和气动设计毫无变化,虽然可用攻角范围放宽、升力系数有所增加,但是盘旋能力仍然有所下降,最大瞬盘角速度降为24度/秒左右(各批次重量不同)。FC—1空战翼载荷约为325公斤/平方米,参考F一16A的风洞试验资料,可以推测该机如果限制最大许用迎角30度的话,其最大升力系数可达1.8左右;考虑抖振、非对称机动较严格的限制等因素,其瞬时盘旋能力应该优于F一16A,估计可达28度/秒。


在剧烈空战过程中,飞机速度将会下降很快,因为


发动机推力一般都不足以补偿为获得最大瞬时盘旋过载而用最大升力系数转弯所产生的阻力,所以速度不断降低。在发射完武器后,加速性的优劣十分关键。如果长时间在低速状态对下一步空战十分不利。飞机加速性的好坏决定于单位重量剩余功率SEP。SEP=(发动机推力一阻力)X速度/重量。SEP越大,加速性能和爬升性能越好。特别是西方强调的能量空战战术异常重视能量补充能力,SEP几乎已经成为衡量三代机性能优劣的重要指标。


对FC一1的SEP的计算取决于对推力和阻力的估算。RD一93是一种典型小涵道比涡扇发动机,因此套用经验公式。根据手册上介绍RD一33发动机特别强调了高空性能,对高空性能指数取较大值。飞行阻力包含零升阻力和升致阻力,零升阻力与飞机的浸润面积等参数有关,也与飞机表面质量有关,较难准确估算,笔者采取在F一16和T一38实际数据基础上进行推测的方法。根据不断采取提高超音速可用推力的情况,估计FC一1零升阻力要大于F一16。FC一1的升致阻力,由于可以计算出42。后掠角切尖三角翼的奥斯瓦尔德效率因子,可以通过经验公式计算得到,再参照实际型号进行修正。笔者同时根据部分计算数据和同类飞机实际数据,拟合了FC一1的飞行包线。


FC—l的最大瞬时盘旋角速度比较优异,但是由于发动机推力限制,整体推重比稍弱于F一16,SEP指标不算高,加速和爬升性能稍微欠缺。但是FC一1的空战推重比高于“幻影”2000,和F/A一18A/B相当,海平面SEP大于295米/秒,和F一16的330米/秒有一定差距。但考虑到FC一1本身还具有一定的发展潜力,未来有改进9000公斤级推力发动机的趋势。如果这一改进成为现实,FC一1的推重比将比F一16更高,SEP性能也会超越后者。即便是沿用RD一93的8300公斤推力,目前FC一1的SEP性能也能达到三代战斗机的中游水平。由于空空导弹的进步,SEP虽然对飞机性能至关重要,但对空战胜负的影响力却在降低。对于一种价格只有F一16一半的战斗机,过度求全是不现实的。即便如此,FC一1的SEP还是比号称“三代半”的瑞典JAS一39战斗机更有优势。


FC一1装备巴基斯坦空军后,其作战对象将是印度空军的300~400架三代战斗机,如“幻影”2000、米格一29、苏一30MKl等。在下个10年,巴基斯坦老式的“幻影”Ⅲ/5、J-7M、J-7P、J-7PG和Q一5等战机大部分要退出现役。那时,巴基斯坦拥有的高性能战斗机或许就是30~60架中国J一10出口型,以及100架左右高速性能不很突出的F一16和150架FC—1。一旦发生战争,这一空中实力是远远不够的。所以,巴基斯坦空军提出尽量在不过度提高价格的情况下提高高速性能。为此,04架样机采用了DSI进气道,并修改了整个前机身,全机重量降低了200公斤,高速阻力也得以降低,同时提高了发动机的进气品质特性。更换DSI的意义不仅仅是减重,更在于改善了进气一推进系统的效率,能够在同样高度和速度下提供更大的实际推力。这不仅提高了SEP,还提高了高速飞行能力——FC一1的DSI取值设计在1.4马赫以后总压恢复比F一16高3%、1.8马赫以后提高甚至达到10%。每提高1%的总压恢复系数,可以产生1.5%的推力增益,FC一1最大速度原设计目标只是达到1.6马赫,而改


进以后可望达到1.8马赫左右。最大速度提高的同时,包线靠右端位置的加速性和稳定盘旋能力也得到提高。面对印度空军大量装备R一77导弹的米格一29、苏一30MKI战机,改进后的FC—l凭借高速能力的大幅度提升,基本能够与之对抗,同时还有体形小、雷达反射面积小的特点,一定程度上还能占据优势。


巴基斯坦空军在0l架试飞后,提出将最高速度从1.6马赫提高到1.8马赫。从04架的情况推测,经过努力(假如发动机推力能提高到9000公斤的话),FC一1最大飞行马赫数也许还会有所提高,接近或达到F一16的水平。较好的高速性能对巴方的截击作战要求是比较实用的。从现在情况来看,由于发动机推力小,FC一1的爬升性能稍微不足,与F一16A/(N差较多,但是比IDF好。对近距空战最关键的盘旋性能指标,稳定盘旋角速度略低于F一16,但是瞬时盘旋性能更好,远远超过IDF。这主要归功于大边条高涡流升力和低翼载的综合作用,是FC一1的主要设计亮点之一。


总的说来,FC一1经过不断设计、改进,目前的水平是:机动性能基本和F一16A持平,大迎角性能则要超过F一16A,关键飞行性能指标远远超过IDF。


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