枭龙04架原型机应用大量最新气动研究成果


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罗马尼亚配用斯贝发动机的IAR-95想象图

另一个相似者米高扬的“产品33”外观上没有IAR-95那样像FC-1,但是米高扬设计局在FC-1发展过程中扮演的角色却使它和FC-1存在更深的联系。“产品33”是1986年启动的计划代替米格-29战斗机的LFI(轻型前线歼击机)计划下的一个方案。米高扬设计局在最初考虑LFI的时候,继续坚持了它传统的尽可能减小设备重量,简化机体结构,适应前线机场紧急起飞拦截作战的思路,不但没有设法改变米格-29飞机机内容积不足,航程过小的问题,反而试图设计一种只装一台RD-33发动机的轻型战斗机来满足前线航空兵的要求,这就是“产品33”方案。不过这种方案在作战飞机需要更多更完备的电子设备,并且要执行多种任务的历史发展潮流下,被苏联空军认为不合时宜,并没有获得一展身手的机会,据说后来米高扬设计局试图将这个方案作为出口型战斗机进行了大量的推销工作,但是并没有找到买家。


“产品33”在气动布局上比较类似F-16飞机,采用了带边条的翼身融合体,中等后掠切尖三角翼,腹下进气设计。从模型上看“产品33”的头部也比较粗,截面比较圆而且有一定的下垂,比较接近米格-29的前体设计,这样的头部能容纳较大尺寸的天线,而同时又不影响飞行员前下方的视野。F-16的椭圆形前体设计具有大迎角方向稳定性好的优点,而且平坦的底部对于腹部进气道获得高质量的来流也很有好处,但是这种外形的天线罩局限了雷达天线的形状和尺寸,高度较小的雷达天线会增大俯仰方向的波束宽度,对雷达性能有一定的不利影响。该方案的座舱盖设计基本上与米格-29一致,虽然有一定的突起来获得较好的前方视野,但是座舱盖长度较短,座舱盖后部的延伸段结构遮挡了后方视野。与FC-1飞机类似的,“产品33”的早期方案采用较窄的带前缘锯齿的边条,而到后期则改为外凸的宽边条设计,这种设计上的变动究竟是不谋而合还是有所联系外界不得而知。加宽的边条显著的增加了面积,面积的增加可以显著提高边条的增升效果,而且由原先的较平直的边缘改为外凸拱形也改善了失速后的升力特性,但是边条面积的增大会使大迎角“上仰”现象更为明显。从模型照片上看,“产品33”的机翼设计基本上一直没有什么变化,目视判断是一副前缘后掠角约为40度左右,展弦比可能略大于3的切尖三角翼,机翼的根梢比要比FC-1小,翼梢弦长较大。模型照片显示,“产品33”的机翼前缘又几乎全展长的机动襟翼,后缘也是独立安排襟翼和副翼。“产品33”的后边条也很宽,外侧下方同样连接有腹鳍,边条末端与机身有一定的距离,与FC-1不同的是由于“产品33”采用腹部进气设计,前边条起始于前机身的底部两侧,而机翼下的进气道是向上弯曲的,所以到后边条位置已经处于后机身的底部。“产品33”的早期方案平尾面积较小,但是为了提高平尾效率在平尾的前缘靠近翼根处设计了锯齿,但是后期方案可能是出于加大边条后的大迎角低头恢复力矩考虑改为取消锯齿但是加大了平尾面积。“产品33”的模型没有在垂尾根部设计减速伞舱,整个垂尾厚度变化比较均匀,这点也令人好奇米高扬设计局到底准备在哪里布置减速伞,比较可能的位置是像米格-19和早期型米格-21那样布置在后机身腹部,但是实践证明这个位置的减速伞放出后会产生一个低头力矩,一般不能在接地前放伞,对减少着陆滑跑距离是不利的。另一个比较特殊的现象是“产品33”的垂尾和平尾都没有作切尖处理,考虑到较薄的尾部安定面梢部是比较容易发生颤振的部位,常见的设计一般要采取配重或者切尖的方式来防颤,有些飞机还采取了下反平尾避开机翼尾流干扰的方法,因此米高扬在防颤上的轻率处理比较让人意外,也许因为这是一种不被看好的方案,所以细节上没有进行足够的优化。“产品33”作为米格-29的后继飞机,设计要求比较重视高速性能,所以虽然采用腹部进气,但是进气道却不同于F-16飞机的皮托管式进气道,采取了比较罕见的中央垂直压缩斜板的设计,这种设计曾见于北美公司的XB-70、苏霍伊设计局的T-4、洛克威尔公司的B-1和图波列夫设计局的图-160这些高速轰炸机,在战斗机中只有没有生产的YF-107采用了类似设计。这种设计由于需要两侧都是可调节的压缩斜板,结构十分复杂,对于需要分开设置进气道的多发轰炸机来说还是可以接受的,但是对于单发轻型战斗机来说显然过于复杂,而且在性能上也没什么明显的好处,实际上是不可取的。考虑到米高扬在重型战斗机方案中采用了水平压缩斜板的腹部进气道设计,在轻型战斗机的方案中采取中央垂直压缩斜板的设计实在令人感到匪夷所思。“产品33”模型的尾部线条比较自然,没有出现明显的收缩,可见FC-1的收缩设计并非是出于配用俄方发动机的需要。


在飞机设计中由于相近的设计要求而出现趋同和在同样的设计要求下出现同样满足要求的迥异设计是两种并不罕见的有趣现象。趋同的原因可能只是因为设计要求相同而使两位设计师不谋而合,也有可能是为了满足同样的要求而进行了参考借鉴,而应对同样要求的截然不同的设计则反映了设计师个人理念的不同,即使是相同的要求,设计师也可以出于自己对任务的理解,进行不同侧重的设计。不管是出于什么原因,FC-1飞机有这些没能出世的异国“兄弟”都是一件有趣的事情,因此笔者在此对它们的气动布局也进行了简单的分析。


第二次的新生


如果说FC-1飞机逃过了失去外方合作伙伴,经过重新设计得到了重生的话,那么笔者以为2006年4月28日首飞成功的04号原型机则可以看作是FC-1的第二次新生。04架原型机是全状态飞机,飞机的气动布局在01架和03架试飞数据的基础上进行了大规模的优化设计,大幅度提高了飞机的气动性能,在这个过程中应用了大量的最新气动研究成果。


飞机的整个前体设计都作了非常大的改进,最明显的变化是为了改善进气道性能,简化结构,减轻结构重量,采用了美国洛克西德?马丁公司刚刚研制成功应用于其最新开发的美国联合攻击战斗机(JSF)F-35飞机上的无附面层隔道超音速进气道(Divertless supersonic inlet,DSI)。这种进气道通过一个复杂三维曲面外形的鼓包(Bump)作为压缩面,所以又被称为Bump进气道,在04架原型机首飞成功后,国内媒体将其称为“蚌”式进气道既是贴切的音译又传神地反映了这种新式进气道的外观。


附面层是由于流体粘性作用而附着在物体表面的低速低能量流动薄层,在这一层区域中的流动速度远低于来流的速度,但是沿垂直物体表面方向的速度梯度却很大,同时附面层流动随距离增加而减慢,存在一个逆速度方向的压力梯度,在这个逆压梯度与法向压力梯度的作用下附面层容易发生分离。附面层的另一个特点是沿物体表面流动的前段不同能量的流动互相不发生交流,表现出“分层”流动的特点,但是经过一定的距离便可能发生转捩,成为内部存在剧烈无序流动,能量交换十分频繁的紊流附面层,紊流附面层虽然相对不容易发生分离,但是也会影响到进气道内流动的均匀。由于附面层的这些特点,进气道吸入来自上游机身较远处来的附面层会对进气道的总压恢复和畸变程度产生很不利的影响。早期的喷气发动机进气道设计没有认识到附面层的影响,像XB-42使用的NACA平贴式进气道,P-59,P-80等飞机使用的无附面层隔道的两侧进气道都没有阻止附面层进入进气道的措施,进气道的性能比较差。在这个时期不需要处理附面层的机头进气或者下颔进气的设计用得比较多,在超音速飞行发展的初期,也曾有一些较早出现的方案没有考虑附面层的处理,试图用一个按设计飞行马赫数设计的鼓包来简化结构,比如美国的4马赫战斗机XF-103的进气道就是这样的腹部进气道,当然这样的设计限于当时的条件不可能取得很好的效果。在此后的近半个世纪时间里,绝大多数超音速战斗机在气动布局上都考虑了进气道附面层处理,所采取的技术手段有阻挡附面层的凸台,附面层隔道,附面层抽吸装置等,而且很多飞机同时使用两种附面层处理手段,比如FC-1飞机的01架和03架原型机就同时采用了附面层隔道和固定压缩斜板开附面层吸除孔进行抽吸的手段。附面层隔道增加飞机的横截面积,增加阻力、重量和雷达散射截面积(RCS),而附面层抽吸需要一套泄放旁路管道,显著增加了进气道的复杂性。对于像FC-1这样的轻型战斗机,由于进气道增加的阻力和重量也是可观的损失。


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