歼-10研制始于80年代末,不妨来看看这时候的中国空军

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导读:1)鸭式布局的历史和人类航空史一样长,近藕鸭式布局出现于1962年(瑞典Saab-37),以年代来说都不是新鲜事物,后者更不是所谓“三代半”歼击机的特有布局。 2)鸭翼产生正配平升力的说法是有前提条件的,即这种飞机是静稳定的,或者在当时状态下是静稳定的(如超音速状态)。而对于处于静不稳定状态的飞机(放宽静稳定度的现代歼击机进行大载荷机动时往往就处于这种状态)来说,其对比结果恰恰相反:鸭翼产生负配平升力,而正常式飞机的平尾产生正配平升力。也就是说,鸭式布局的升力优势在这种状态下可以说是不存在的。

1)鸭式布局的历史和人类航空史一样长,近藕鸭式布局出现于1962年(瑞典Saab-37),以年代来说都不是新鲜事物,后者更不是所谓“三代半”歼击机的特有布局。



2)鸭翼产生正配平升力的说法是有前提条件的,即这种飞机是静稳定的,或者在当时状态下是静稳定的(如超音速状态)。而对于处于静不稳定状态的飞机(放宽静稳定度的现代歼击机进行大载荷机动时往往就处于这种状态)来说,其对比结果恰恰相反:鸭翼产生负配平升力,而正常式飞机的平尾产生正配平升力。也就是说,鸭式布局的升力优势在这种状态下可以说是不存在的。



3)鸭式布局的应用主要有3个目的(可并存):利用鸭翼正配平升力提高全机升力,这一用途多见于早期鸭式飞机和现代轻型飞机,如美国寇蒂斯XP-55,南航AD-100轻型飞机;解决或缓解超音速配平问题,给飞机俯仰操纵面卸载,减小超音速配平阻力,如美国北美XB-70;利用鸭翼对机翼的有利干扰大幅提高飞机相关性能,即近藕鸭式布局,如瑞典Saab-37。对于第一种目的,国内70年代曾经做过相关研究,即“抬”式布局。但这一布局的问题是:如果鸭翼升力不大,那么全机升力收益非常有限;如果要求鸭翼升力明显增大,那么对机翼的下洗也会加大,从而抵消相当一部分收益。在这种要求下按照常规设计的鸭翼,其尺寸/重量/阻力以及操纵系统的功率也会大幅增加;如果希望以动力增升方式增大鸭翼升力,气动干扰就是一道巨大的鸿沟——迄今为止没有一种以此概念设计的飞机成功过,洛克韦尔XFV-12是失败得最彻底的,即使采用低置鸭翼也未能解决不利干扰问题。国内的研究最后也不了了之。



4)近耦鸭式布局的主要优点是:能与机翼产生有利干扰,推迟机翼气流分离,大幅度提高大迎角升力,减小大迎角阻力;通过采用主动控制技术(ACT),可以减小鸭翼载荷,对减小配平阻力和提高配平升力有利;对重心安排有利;配合大后掠三角翼,纵向面积分布较好,机身后部外形光滑流线,超音速阻力小;更容易实现直接力控制,对提高对空/对地作战效能有利;低空操纵性较好,鸭翼位置靠近飞行员,有利于阵风抑制系统的应用。但其缺点也是明显的:鸭翼在大迎角/鸭翼大偏度时有失速问题,一般采用大后掠小展弦比设计以缓和这一问题,但也造成鸭翼升力系数降低;起降及大过载机动时受鸭翼配平能力限制,不能使用机翼后缘襟翼或只能采用很小的偏度——鸭翼采用大后掠小展弦比设计更加剧了这一问题,如果采用加大鸭翼面积的方法,又会加强鸭翼对机翼的下洗,导致机翼升力损失,只能采用静不稳定设计缓和这一矛盾;采用ACT和亚音速静不稳定设计时,由于存在大迎角低头操纵力矩的要求和鸭翼载荷过大带来的配平阻力增大和最大配平升力降低的问题,和正常式布局相比,鸭式飞机往往不能采用太大的静不稳定度,从而影响其优势的发挥;横向操纵效率不高;同时鸭翼的存在不利于飞机隐身——对于一种强调高机动性的歼击机来说,鸭翼的位置、大小、平面形状很难和隐身要求统一在一起。



5)和正常式边条翼布局相比,近耦鸭式布局的长处在于超音速阻力小,这主要得益于大后掠三角翼、无尾构形和鸭式布局带来的良好纵向面积分布特性;但在涡流增升、放宽静稳定度、外挂点布置、大迎角操纵性等方面,近耦鸭式布局都不见得有优势甚至可能处于劣势。从这个角度来看,影响歼-10选择近耦鸭式布局的原因:一是中国空军特别强调超音速性能;一是当时设计方的技术储备主要集中在近耦鸭式布局;或者两者兼而有之。对于第一点,其实可以从上文定位分析中得到印证。而对于第二点,外界本来是很难了解的,不过幸运的是我们有一个很好的参照物——今天的FC-1,当年的超-7。超-7项目启动时间比歼-10略晚,基本上代表了成飞从80年代末到现在所掌握的正常式边条翼布局相关技术水平。换句话说,如果当年歼-10选择的是正常式边条翼布局,那几乎就是放大版的FC-1。只需看看FC-1能否满足中国空军当年的需求,就可以知道当初选择近耦鸭式布局是否有边条翼技术储备不足的因素在内了。



6)根据公开报道,歼-10和早期的歼-9VI-II有一定的技术继承性。我们知道,歼-9VI-II属于高空高速歼击机。这种飞机采用固定鸭翼设计,主要原因之一就是为了高速配平,为升降副翼卸载,从而减小超音速配平阻力,改善高速性能。作为后继者的歼-10,又同样面临高速拦截的要求和发动机瓶颈的制约,在布局选择上不可避免地会受到前辈的影响。也就是说,歼-10选择近耦鸭式布局,是考虑了高速截击及相关状态下配平和机动的要求的。



在考虑了以上事实之后,笔者有如下推测:歼-10立项的时候,距歼-9下马不过几年时间。将歼-10的定位和歼-9的设计指标相比,再结合中国空军对新一代主战装备的要求,基本可以确定:歼-10降低了对高空高速飞行能力的要求,提高了机动性的要求,并增加了对地攻击能力的要求。要满足高速拦截的要求,正常式边条翼布局对发动机的要求更高,因为超音速阻力(包括配平阻力)相对较大;要满足高机动性要求,正常式边条翼布局和近耦鸭式布局在同等技术水平下表现相当;要满足对地攻击要求(在当时来说主要是载弹量、挂点、低空飞行性能),正常式边条翼布局和近耦鸭式布局各有所长,而且在不明显影响机动性的前提下,这方面要求所占的权重其实是比较小的。考虑到当时中国发动机水平的落后,以及成飞当时在边条翼相关技术储备方面的不足,近耦鸭式布局显然是最能够“以设计方和制造方所掌握的技术,实现使用方的要求”的选择。从投入产出比和技术风险的角度来看,在歼-9技术基础上经过重新设计,结合新开发和引进的技术设备,研制一种新的鸭式飞机来满足空军要求,也是一个非常合理的思路。


雷达罩和前机身横截面



就功能来说,在保证飞行器气动外形前提下,雷达罩应能保证其内部的雷达部件免受任何形式的损伤;同时,雷达罩还应能满足当雷达工作时,罩体的存在基本不影响雷达的探测性能。就气动而言,雷达罩的外形直接影响前机身,并进而影响飞机的气动特性。所以雷达罩的外形实际上是飞机气动特性与雷达罩本身力学、电磁等特性以及雷达罩加工工艺等多方面因素折中的结果。



在雷达罩加工工艺允许的前提下,当雷达电磁特性要求较宽松时,设计人员可以考虑调整雷达罩的外形,使飞机在预定的方面获得更好的性能。YF-16是这方面的典型。由于准备安装的是AN/APQ-159(也就是F-5E的雷达),允许采用椭圆形截面的雷达罩,为该机前机身布置提供了良好条件。得益于此,YF-16才能够将前机身下表面作为进气道预压缩面,改善飞机的进气性能。这一设计带来的其它影响有得有失:大迎角时方向稳定性较好;横向稳定性在中等迎角范围突然失稳;俯仰力矩有上仰趋势;等等。按YF-16的设计要求,这笔账应该是黑字。不过,在YF-16上表现出色的设计不见得就适用于其它飞机。



从公开照片判断,歼-10的雷达罩选择了最常见的正圆(或近似正圆)截面。这种雷达罩的设计、加工都相对简单,但一个显而易见的结果就是前机身下表面很难过渡为一个平面以提供进气整流压缩功能。这也是有些评论认为歼-10设计不如F-16之处。



就这个设计本身来说,F-16的前机身做到了一物多用,的确漂亮。但如果综合考虑对全机的影响,答案就不那么简单了。歼-10当前的圆形横截面前机身对飞机气动方面的影响是介于横椭圆截面和立椭圆界面之间,也就是说好的没那么好,差的方面也没那么差。这对鸭式飞机来说,这种折中的结果不见得是坏事。比如横向稳定性失稳、俯仰力矩上仰,都是放宽静不稳定余度的歼-10必然会面对且必须解决的问题。横椭圆截面前机身设计必然会加大解决问题的难度。换个角度看,假如歼-10实现了F-16那种前机身设计,那么会有哪些收益呢?提高进气性能基本谈不上,因为歼-10本身就采用了多波系可调进气道,效果比之只有前机身一级压缩的F-16更好。减轻进气口结构重量可能性也不大,虽然前机身可以起到一级固定斜板的压缩作用,但取消了一级固定斜板,二级可调斜板装哪里呢?总不能直接铰接在进气唇口上吧。最后一个可能的收益来自大迎角方向稳定性。横椭圆前机身大迎角时方向稳定性较好,因此在垂尾有可能得益于此而减小,从而减小阻力和重量。不过对于歼-10这种重视高速飞行性能的飞机来说,高速段的方向稳定性对垂尾的要求也是比较苛刻的,如果对垂尾面积的要求大于前者,那么这一收益也就不存在了。所以,就歼-10当前的设计来看,采用横椭圆前机身截面并没有带来明显的收益,充其量得失相当。在这一点上和F-16进行比较也就没什么意义了。


大气数据传感器



相对于之前研制的歼击机/歼击轰炸机,歼-10的脑袋上多了几根“刺”,其中既有传统的气动补偿式机头空速管,也有新研制的L形大气数据传感器。虽然看起来并不起眼,但它却是一个振奋人心的标志——这意味着中国航空在大气数据测量与应用方面有了质的提高。



长久以来,中国飞机的大气数据测量技术一直落后于世界先进水平。在国产飞机上,我们最常见到的几种传感器包括:直柄型空速管(歼-7B),带支座的直柄型空速管(歼-7E),气动补偿式机头空速管(歼-8B),还有经常作为备份的L型全压管,但就是没有L型全-静压管。就基本测量原理来说,L型管和前述3种空速管并无差别,只是安装位置有所不同。不难发现,前述3种空速管都是通过支杆将动/静压传感器远远伸出机头之前,以尽可能减少来自机身的干扰——其中气动补偿式机头空速管由于距机身较近,干扰较大,需要通过气动补偿型面来解决。而L型全-静压管是直接装在机身侧面的,干扰因素众多,情况复杂,静压测量误差相当大,已经无法通过气动补偿来解决。要解决静压测量误差问题,就必须综合考虑所有的干扰因素(例如F/A-18在修正静压误差是就需要用到:指示静压、指示全压、自由流静压、局部迎角、局部侧滑角、前缘襟翼位置、后缘襟翼位置、加油管位置、起落架位置等9个参数),即所谓的计算补偿。这不是通过机械转换能够解决的,必须引入计算机系统进行运算处理。此外,L形全-静压管对传感器加工精度、灵敏度等也提出了很高的要求。我国长期以来在大气数据测量技术方面徘徊不前,很大程度上就是因为静压测量技术无法突破。



值得高兴的是,歼-10脑袋上那新研制的L形大气数据传感器清楚地表明:我国静压测量技术已经获得突破,大气数据测量技术从此上了一个新台阶。其实如果从时间上来说,首先应用新型L形大气数据传感器的飞机可能是歼轰-7。该机机头右上方的L形传感器不是传统的L形总压管,考虑到该机传感器配置和功能方面的需求,很可能就是L型全-静压管,在功能上或单独作为备份系统、或和机头气动补偿式空速管互为备份)。



再回头看歼-10。脑袋上这么多根刺,说明一件事:该机配备了大气数据计算机——其实从电传飞控系统的要求来说也是必须配备的,不过这里是从传感器的角度来证实——这些传感器就是针对大气数据计算机的输入数据余度要求设置的。观察传感器配置,我们可以推测:机头气动补偿式空速管至少提供全压、静压两个输入参数;机头外下侧左右对称安装的两个较大的L形传感器提供一对全压、静压参数,加上其对称安装,其测得的静压参数可用于解算侧滑角(飞机侧滑时引起静压参数不对称变化);机头下侧偏左安装的较小的L形传感器应该就是传统的L形总压管,提供一个全压参数(推测为备份);机头两侧雷达罩边缘以及右侧机身风挡下方的3个风标式传感器提供3个迎角参数。以上计有全压参数4个,静压参数3个,迎角参数3个。参数数量已满足大气数据传感器至少三余度的要求,但考虑到备份要求,还缺少1个备份静压参数。在机头右侧靠后的那个迎角传感器上方,有一个不明用途的黑色圆形区域,笔者推测可能就是用作备份的机身静压孔阵列。



虽然歼-10在大气数据测量方面进步不小,但是我们也必须看到,其大气数据传感器和第三代歼击机相比仍有不小的差距。外观上最明显的差距就是个头偏大。这主要是L形传感器自身的干扰引起静压测量误差,为了减小干扰只能把杆体做得大一点,以空间换精度。当然,也可以通过改进测量手段、提高加工精度来减小体积——这就是我们接下来需要做的事情。另一个主要差距的外在表现是传感器数量过多。按前面统计,歼-10一共装了8个作用不同的大气数据传感器,而F/A-18只装了2个L形多输出大气数据传感器和2个静压探头就解决了问题。事物的发展总是螺旋型上升的。传感器数量由少到多是个跨越,因为这标志着计算机化的大气数据采集/处理系统的实用化;而传感器数量由多到少则是另一个跨越,因为这标志着大气数据测量手段的进步,测量精度和可靠性的提高,以及系统集成能力的提高。



对歼-10来说,近来有两个好消息:1)成飞于今年2月份公开推出其与THALES公司合作生产的多功能探头,如果成功应用于歼-10,那它脑袋上的刺就可以少几根了。2)3月交付巴基斯坦空军的FC-1预生产型已经取消了机头空速管,很多人认为那就是应用多功能探头的结果,笔者以为不然:一是飞机上找不到新探头,二是时间来不及,机头空速管取消更可能是系统集成度提高的结果。不论如何,这些改进都可能在新批次的歼-10上得到应用,也是值得庆贺的。顺便提一下THALES公司,笔者接触过该公司的一些产品,总体感觉是:设计精巧,集成度高,可维护性好,但就是贵。一个带LED指示灯的按钮,售价近100美元,偏偏还没法分解,LED灯一坏就要换个按钮,家底不那么厚实的用户估计要捶胸泣血了。从这个角度说,装备先进战机的空军其实就是黄金堆出来的。


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