世界几款同级别轻型战斗机气动布局比较


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同样采用大面积哥特式边条的俄雅克130战斗教练机

新锐轻型战斗机气动布局的比较


与FC-1飞机同级别的较新研制成功或者仍然在研的战斗机主要有我国台湾省的F-CK-1战斗机,瑞典萨伯公司的JAS39“鹰狮”战斗机,印度斯坦航空公司的LCA战斗机。F-16战斗机研制时间较早,而且实际上比这几种飞机都要大一号,就不列入比较了,F-20战斗机年代也比较早,而且改进的比较不彻底,没有彻底脱去F-5E的遗传,比较有意思的是F-20原本也打算在04架原型机上作一些改进,可惜这架飞机最终未能完成制造。


在要比较的四种飞机中,设计年代最早的并不是最传统的F-CK-1飞机,而是JAS39,该机于1980年展开研制工作,到1982年确定设计方案,1984年开始制造原型机,1988年底完成首飞,整个研制过程相对比较顺利,但是由于电传的问题发生过坠机事故。JAS39沿用了萨伯公司率先在战斗机上采用的近距耦合鸭式布局设计,但是进一步发展为全动鸭面,并采用了翼身融合技术。JAS39飞机在气动设计上考虑了截击作战和制空作战的需要,对飞机的高速性能和跨音速直至低速的格斗机动性能进行了折衷。该机鸭翼和主翼的后掠角均不大,分别为43度和45度,在俯视图上鸭翼后缘恰与主翼前缘相接于一点,但是空间位置上鸭翼高于主翼,高度合理的鸭翼在飞机的横侧安定性上比较好。理论上45度左右后掠角的机翼本身的大迎角涡流比较弱,加鸭翼后增升效果比较明显,但是由于JAS39的鸭翼后掠角比主翼后掠角还要小,两个弱涡互相干扰能达到的效果并不是很理想,总的来说不算升力特性很理想的布局。不过JAS39的机翼在前缘增升面的设计上比较特殊,两段前缘襟翼均设在机翼外段,内段襟翼的内边界大致上鸭翼翼梢的展向位置,而外段襟翼形成了一个锯齿。鸭式布局战斗机的前缘增升面不占用全展长是一个设计上通行的做法,可能是因为内段在鸭翼下洗区内,即使有增升装置效率也不好。外段襟翼的锯齿可以改善外段机翼的大迎角分离情况对横侧安定性也有好处,不过这种设计在鸭式布局的飞机上却比较罕见,从展向位置看,鸭翼涡与锯齿涡应该也不能卷绕,但是瑞典人在近耦合鸭式布局上经验极为丰富,想必这样设计有其存在的必要。从JAS39所进行的大迎角试飞内容看,该机的设计目标有一定的过失速飞行考虑,其初期原型机的正常飞行迎角被限制在20度,但是经过39-2号原型机试飞过程中开发了新的大迎角控制律将可用的区域扩展到52度,试飞中曾经在垂直科目的顶点迎角超过了160度。在大迎角试飞中JAS39表现出较好的抗偏离特性,不容易进入尾旋而且很容易改出,俯仰方向只有一个很小的深失速区域,需要专门的操纵才能进入深失速。这个现象说明如果只是希望能做瞬态的大迎角动作进行机头指向,那么飞机的升力特性不是最重要的,有良好的操稳特性才是最重要的条件,JAS39正是遵循了这种方式,并且在一些细节比如机头小边条等地方予以了充分的考虑。后掠角较大的鸭翼和机翼有较强的涡流增升效果,而且对高速飞行有利,但是JAS39并未如此设计,可能是希望有较大的升力线斜率来获得较好的起降性能,同时较小的诱导阻力也可以让载油量较少的JAS39在航程上有所收益。JAS39在全机阻力的处理上比较出色,在后掠角并不大,而且采用了两侧矩形皮托管进气道的情况下仍然能飞到2马赫的速度,在同类飞机比较难得。与FC-1飞机相比,JAS39的气动布局显然在阻力上有比较明显的优势,即使04架通过前机身和进气道的修改改善了超音速剩余推力,FC-1的高速性能恐怕也难以达到JAS39的水平。但是FC-1在改用了哥特式大边条后边条涡的增升能力大幅提高,在升力特性不无超过JAS39的可能,而且FC-1飞机展弦比较大,又使用自适应技术减少阻力,估计有较好的稳盘性能。飞机的大迎角操稳特性则是比较难以预测的,即使经过专门的设计,也往往会在试飞中出现预想不到的情况,所以在FC-1飞机完成包线扩展并公开试飞结果之前,笔者不敢猜测其大迎角飞行特性究竟会有什么样的表现。


F-CK-1在这些飞机中排行老二, 1982年底上马,在合作伙伴美国通用动力公司的帮助下于1985年冻结了设计,1989年首飞,试飞过程中虽然发生过飞机平尾颤振断裂造成机毁人亡的意外,但是总的来说对一型全新研制的战斗机还是比较顺利的,到1994年开始向军方交付首批生产型飞机。F-CK-1飞机气动布局自然流畅,显示了通用动力公司在飞机设计上的深厚功力。F-CK-1机头呈扁椭圆形,这个形状对于大迎角飞行保持方向稳定性是比较有利的,但是这种机头截面形状要求使用椭圆形的雷达天线,而垂直方向尺寸较小的天线垂直波束宽度较大,精度有一定的不利影响,这是选择是否采用这种机头形状是需要斟酌的地方。F-CK-1飞机边条面积较大,外缘为较直的曲线外凸形状,机翼前缘后掠角仅有30度,后缘则有前掠角,这种机翼和边条的配合比较接近F/A-18飞机的设计。这种设计虽然并不是最优的边条机翼组合,但是也有小迎角升力线斜率大的优势,对于比较强调的起降性能的F-CK-1而言也是合理的选择。该机采用边条屏蔽的肋下皮托管进气道设计,显然是强调大迎角性能的设计,而且结构也相当紧凑。该机虽然采用双发,但是后边条和开裂减速板设计带有明显的F-16风格,平尾在发生颤振事故后改为带下反的切尖平尾,垂尾顶端也作切尖处理,方向舵铰链线后掠比较明显,似乎比较注重超音速的方向舵效率。与FC-1相比,这种早出生很多的飞机依然有其优点,该机采用边条屏蔽的进气道设计,大迎角的总压恢复和畸变都要比无屏蔽的进气道好得多,但是FC-1飞机为了排出附面层却不能使边条覆盖在进气道上方,而且如果这样改进要修改很多结构,所以不具备使用有屏蔽进气道的条件。F-CK-1飞机在翼身融合和飞机面积分布上处理的游刃有余,飞机在使用皮托管进气道并且机翼后掠角较小的情况下仍能达到1.8马赫的速度,可见阻力是比较小的。但是另一方面,FC-1使用鼓包进气道之后超音速总压恢复提高,在高速性能上将有一定的改善,并不一定仍逊于F-CK-1。F-CK-1飞机虽然采用了大面积边条,但是边条形状不如FC-1采用的哥特式边条有利,而且机翼的平面形状也不利于发挥边条布局的增升能力。此外,通用动力公司在F-16飞机的气动布局设计上未能解决大迎角方向稳定性和深失速问题,被迫限制了F-16的使用迎角,F-CK-1作为通用动力帮助设计的产物,许用迎角范围恐怕也不会太出色。



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