深度剖析丝带-全球优秀战机的集大成者

1、丝带的气动特点和升力特性:

歼-20采用了“鸭翼+边条翼+升力体”综合布局结构,把全动鸭翼、边条翼、升力体三者结合一起。

歼-20鸭翼的主要作用,和歼-10一样,是为了产生的脱体涡,对主翼上翼段形成有利干扰,改善主翼的升力特性和操控性能。不过歼-20的鸭翼还带有上反角,这是因为为了隐身,鸭翼和主翼根部只能设置在同一个平面上,因此、需要拉开一段距离,发挥鸭翼的增升作用。歼-20既具有菱形机头的菱线机头边条,在鸭翼后和主翼前还见缝插针安排了一段边条翼。

而美国F-22、F-35、俄国T-50都只有变形的、大小不等的边条翼,拥有完整的鸭翼和边条翼的歼-20,在全球已有的四代战斗机中,升力特性最好、升力系数最高。这意味着中国四代有着更短的起飞距离和更优秀的稳定盘旋能力。


2、比F-22更先进的DSI进气口

DSI意为无分离板超音速进气口,Diverterless Supersonic Intake,首创者是美国F-35的研制承包商洛-马公司。它巧妙地采用一个经过流体力学计算设计得出的、形状复杂的三维鼓包,将边界层的呆滞气流层从中间一剖为二,引向进气口两侧的边角泄放,而不影响主要的“干净”气流层稳定地进入发动机。

这样,DSI 避免了F-22所使用的进气口边界层分离板,避免了前向隐身的一大隐患,而且还能对进气道形成一定程度的遮蔽,减轻了机身结构重量,一举多得。

之后成飞迅速于2006年在“枭龙”飞机的改进上也应用了这一先进的进气道技术,既而又在2008年运用到歼-10的改进上。和洛-马公司成为全球掌握并应用该技术的两家公司之一


3、DSI进气口的局限性

不过DSI的鼓包尽管经过精心计算,但是不可调的。这意味着采用这种进气道的战机,尽管得到了减重、提高发动机效率的优势,但这种优势只能固定在某一速度范围,主要是高亚音速附近。也就是说它们的超音速性能受到了制约。

F-22使用传统的进气口边界层分离板,保证了较高的超音速飞行性能的需要。而DSI进气口一般只能适用于飞行速度比较低的战机,如F-35和“枭龙”。这两种飞机都是近50年来飞行速度最慢的战斗机,最高使用速度仅为1.6马赫。


4、歼-20采用了独创的“可调DSI进气道”

歼-20独创的“可调DSI进气口”,做出了新的创新,解决了DSI高速性能不佳的难题。歼-20进气口鼓包固定但是进气道侧面有可调挡板,可有效随速度变化改变进气量,从而达到从低到高各个主要速度段的优秀的进气控制能力,令发动机更为澎湃地工作,也将意味着更好的加速性、爬升率和超巡能力。同时可调挡板重量轻于传统的进气口边界层分离板,也不影响隐身性能。


5、歼-20的气动设计极其重视超音速性能

美国人仰持强大的发动机和长期领先他人的技术优势,一贯对气动设计不够上心、较为保守,傻大笨粗是美国空军主战战机自二战以来给人的一贯印象。短粗的F-22和和为了兼顾垂直起降更为肥硕的F-35就是典型。俄罗斯T-50的机身设计扁平而宽大,这种构型的亚跨音速升阻比较好,但是超音速下会有巨大的阻力。

成飞设计的歼-20机身令人容易想起米格-31、1.44甚至歼-8、苏-15这种追求速度的截击机造型,或者从某种意义来说,这就是成飞70年代所设计的2.6倍音速的歼9的重生。

它采取了略显激进的、重视超音速性能的设计。这是对发动机暂不如人的一种弥补(有乐观的估计认为,甚至只使用中国现有的“太行”发动机或者其改型,歼-20也能实现超巡),也体现了中国空军一以贯之的追求速度的决心(实际上,歼-10的高速性能就相当突出,具有截击机的特点)。




6、“令人纠结”的鸭翼?似懂非懂的“专家”?


对于歼-20来说,争议最大,非议最多,质疑最猛的,无疑就是延续了歼-10的鸭翼布局。尽管这种布局如上所述具有升阻比大,气动控制强悍等优点,但大部分似懂非懂的“军事专家”都认为,这也要付出隐身能力下降的代价。

从直观的感觉上来看,似乎确实如此,由于鸭翼安排在主翼之前,从正面看过去是一小块复杂的形状,又不像常规的水平尾翼一样能够为主翼所遮蔽,因此担心其成为雷达回波的主要反射目标是很自然的。因而广大军事迷、众多媒体也都纷纷人云亦云,认定中国歼-20的性能肯定不如F-22,甚至不如采用了“隐形鸭翼”的T-50。此言差矣!

实际上,在真正洞悉雷达隐身原理的人眼中,这根本就不是问题。一个好的隐身飞机要处理好上百个问题。所谓鸭翼问题,只不过是个极为普通的次要问题而已。要理解这一点,就必须了解雷达和隐身的原理。


7、雷达眼中的物体特征和物体几何形状完全不同


雷达是靠接收己身发出的电磁波照射到目标上返回的回波来探测目标的,削弱雷达回波的强度和稳定性是隐身处理的入手关键。

理论上说,假如雷达电磁波恰好垂直照射到一块板上又直线返回,这是最理想的雷达工作模式,但实际上这样的机会微乎其微,照射到平面上的电磁波大部分会像光线照射到镜子上一样,按法线折射原则转向其它方向。

从雷达原理来说,雷达实际的反射信号中最强的部分,是当雷达波照射到飞机的、尖锐、缝隙、边缘等突出或凹陷(学名将其称为角形结构和凹腔结构)的外形不连续处时,经过两次反射产生的180度转向返回的反射信号,这种信号才是回波能量的主体。

也就是说,雷达电磁波所“注意到”的物体特征,和实际的物体几何特征差别是很大的。它对“尖锐”、“凹陷”的小构件很敏感,而对大块的平面相对很“无视”(除非恰好垂直)。[、


8、从雷达波长看,鸭翼并非重点反射目标

至于何为“外形不连续、尖锐、缝隙”,则与对方雷达的波长量级有关。与雷达波长相近的物体,就是强反射目标。当雷达波束的波长接近于飞机的构件尺寸时,这些构件就像镜子一样,强烈的反射无线电波。而构件尺寸是雷达波长的两倍的时候,产生谐振效应,反射最强。

对于机载的的厘米波(电磁波长为厘米量级)雷达来说,“外形不连续处”指的主要是飞机上的各种舱门(起落架舱、弹舱、维修开口等)缝隙,天线基座,突起状物体等。

目前隐身飞机和半隐身飞机电磁处理的第一要务,就是处理这种效应,而其处理方式也较为简便——尽量简少外置天线、机身舱门即可。

美国海军的F/A-18从没有考虑隐身处理的A/B型,发展到考虑隐身设计的E/F型“超级大黄蜂”,尽管整体外观没有变化,正面雷达信号却下降了一个数量级。当然,更进一步的优化还包括将必不可少的缝隙、舱盖等边缘处理成锯齿状,以求雷达波能折射和散射到其它方向。


9、物件对不同的而对于地基远程警戒的米波(波长为米一级)雷达来说,鸭翼、机翼、尾翼等翼面的体量与其波长相近,都算是“外形不连续处”,这也就是米波雷达反隐身能力较强的原因。当然,米波雷达的精度较差,只能提供早期预警和方向指引。

从这个视角,控制翼面是在机翼前面(鸭翼)还是后面(常规水平尾翼),对厘米波雷达来说差别不大,因为翼面和波长差别较大,不属于最强的反射特征;对米波雷达而言差别也不大,因为都属于强反射特征,而由于照射角度问题(一般都是从下侧方入射),翼面无论在前还是在后都会被照射到。


10、气动特点和升力特性

按隐身原理的要求,我们从整体到细节逐一检视歼-20所采用的隐形措施。首先,整体表面平滑,毫无赘物,甚至到座舱盖,也是和F-22一样的一块玻璃一体成型,没有了前风挡框架的反射。这样一个细节无疑强烈显示了成飞追求隐身性能的决心。而发动机尾部,歼-20也和F-22一样,基本做到了完全遮蔽,与后半部几乎敞露的T-50完全不同。总之,在外形隐身上,歼-20与F-22采取的措施是完全等同的。

目前出现的歼-20的颜色是绿灰色的,完全不同于三代机歼10、歼11,以及俄罗斯T-50出厂时的黄皮(金属防锈漆)机,而是复合材料和隐形材料的颜色,表明隐型涂料已经完全喷涂到位、并大量使用了复合材料。可以估计,单向透波雷达罩也将会成为歼-20的隐身措施。


11、最终隐身值:无法获知的机密,但应与F-22处同一层级

之前所列的种种看得见的隐身措施,可以将战机的雷达反射截面积(RCS)从10平方米以上降至1平方米的量级,但要进一步降低,就进入隐身涂料的比拼范围。根据美国空军内部资料披露的数据,F-22的正面RCS为0.1平方米,这些都仰赖隐身吸波涂料的贡献。

但是,对唯一不能量化评估的,也就正是歼-20的隐身涂料和复合材料的吸波效果究竟如何。对于隐身战机而言,这是不愿为外人所知的高度机密。而且,隐身涂料、隐身材料的敷设使用量,也与战机成本息息相关。如B-2为保证对地基米波警戒雷达也实现隐身,喷涂了厚厚的吸波涂层,整机单价也为此高达20亿美元。

在外形隐身措施和F-22毫无二致,RCS已经降至1平方米的前提下,歼-20在隐身涂料上或许会出于控制成本而减少用量,或许研制功底与美国尚有差异(但也应相去不远。中国对此也有30多年的跟踪研究)。

我们在此只能推测,歼-20的最终隐身效果,应与F-22处于同一量级。若F-22的RCS为0.1平方米,歼-20最佳应能达至0.3平方米,最差也不会大于0.6平方米。无论如何,都会远胜T-50的1-2平方米。


12、J-10机动性独步全球


比歼10更高的敏捷性、灵活性和大仰角能力

歼-20的基本布局继承于歼10,而歼10就是一种机动性、敏捷性和大仰角能力非常突出的战机。

可以预计,歼-20继承了歼-10的高速瞬盘角速度,并进一步放宽了静稳定度,同时采用了独一无二的“鸭翼+边条+前后襟翼+全动尾翼”的综合气动布局来提高飞控能力。

歼-20的鸭翼差动和全动小垂尾同步偏转更是独门绝技。再加上将来具备更大推重比和三维矢量推力控制能力的新型发动机,将获得比歼10更高的灵活性和大仰角能力。

滚转速率及控制能力远胜F-22及T-50

歼-20大舵效的全动垂尾可提供足够的航向操纵力矩,进而提供较大的滚转速率。

而F-22毕竟是1990年试飞的机型,采用的是80年代(实际更早)的气动理念,连全动尾翼都没有,靠的是二维矢量喷管与襟翼的共同作用,仅能有限控制俯仰和转向而已。

T-50也采用全动垂尾和三维矢量推力,但只有“可动边条”(或者可称“一体化鸭翼”)和常规平尾,在大迎角、过失速机动等极限情况下的控制能力低于中国歼-20。

气动特点和升力特性

不论亚音速、跨音速、还是高音速状态下,歼-20的俯仰、侧滑、横滚、盘旋的能力和大迎角操控效率,也就是战斗过程中的“占位”、“抢位”能力,均超过T-50,远胜F-22,可以轻松做出种种不符合常规、超乎想象的恐怖动作。

在接敌过程中,歼-20的机头可以迅速指向敌机,加上未来配备的可大角度离轴发射的导弹,则可先敌发射,先敌脱离,优势不言而喻。


J-20的总体评价:全球优秀战机的集大成者


融合全球多种优秀战机的精彩设计于一体

从目前已经曝光的照片分析,歼-20作为中国第四代重型战斗机,融合全球多种优秀战机的精彩设计于一体。这些技术包括:

美国F-22的菱形机头和整体式黄金镀膜舱盖(歼-20在此基础上进一步优化了升力体设计);美国F-35的DSI进气道改进型(歼-20采用可调式DSI进气道);中国歼10的鸭翼的改型(中国四代采用了上反鸭翼,与下反主翼等翼面配合,共生涡升效应);多种三代机(如美国F/A-18)采用的大边条及翼身一体设计的改型;俄罗斯T-50的全动垂尾、三维推力矢量(实为殊途同归);俄罗斯米格1.44的后机身设计(窄间距双发动机喷口,宽间距外倾双垂尾及腹鳍等——都属于超音速减阻措施)的改型等等。


全球战机气动设计的集大成者

综合就是创造,这些优秀设计经过消化吸收、经过综合、最终汇集到以高速为特点、隐身毫不逊色、机动性极为突出的歼-20之上,可以说,中国的第四代重型战斗机集全球优秀三代机和四代机的精粹于一体,是采用现有优秀技术最多、综合最为完善的机型,是目前全球战机气动设计的集大成者,可谓冠盖群芳。


在2009年底,中国空军副司令何为荣在央视节目中透露了中国的第四代战斗机将很快首飞。这一消息引起了外界广泛的质疑,即便是最乐观的中国军事爱好者都难以相信,国产重型隐形战斗机会来得如此之快。

今天,在成都的机场上,我们已经看到了奋斗的初步成果,看到中国航空人追踪国际先进技术、自主创新取得的重大突破。正如在去年表示绝对不能相信中国能迅速造出四代机的加籍华裔军事观察家平可夫,也不得不客观的认为,这是相当成熟、有创造力的设计,相关研制企业是成功者,具备了真正的实力,“胜利者是不应该受到批评的”。

从时间看,自从1982年歼10立项到1998年歼10 试飞,从2004年歼10量产,到2010年中国第四代重型战斗机亮相。中国航空业在改革开放的三十年,走了一条越走越快的快车道,尤其是过去的十年,在国家财力大增的大背景下,注重投入,取得了突飞猛进的跨越。

展望未来,中国的航空业将以四代重歼为突破标志,必将迎来大运输机、直升机、水上飞机、无人机等各个方面的整体突破、全面发展。每个关心中国发展的海内外炎黄子孙,无不深为中国航空业和空军的历史性进步、历史性跨越而欢呼雀跃。
















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