科普:J20是全球战机气动设计的集大成者冠盖群芳

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导读:[B]整体布局观察[/B] 首先,歼-20延续了歼-10的鸭翼加切尖三角翼布局,其实中国军方人士早已在去年就透露,称中国四代机将是一种歼-10的重大改型。这一做法是完全可以理解甚至预料得到的——美国F-22就可算作F-15的隐身大改型,俄罗斯T-50就可算作苏-27的隐身大改型。 各国空军的机型设计,大多带有一定的延续性,这是因为一是设计单位有着自己的技术底蕴、设计特点和方向,二是在战机背后代表的是该国空军对空战的理解和规划,这两点都是素有渊源和传统的。 其次,

整体布局观察


首先,歼-20延续了歼-10的鸭翼加切尖三角翼布局,其实中国军方人士早已在去年就透露,称中国四代机将是一种歼-10的重大改型。这一做法是完全可以理解甚至预料得到的——美国F-22就可算作F-15的隐身大改型,俄罗斯T-50就可算作苏-27的隐身大改型。


各国空军的机型设计,大多带有一定的延续性,这是因为一是设计单位有着自己的技术底蕴、设计特点和方向,二是在战机背后代表的是该国空军对空战的理解和规划,这两点都是素有渊源和传统的。

其次,整机线条平直,没有多少复杂曲线起伏,类似F-22;菱形机头,折线机身,大量运用倾斜面,具有非常明显的隐身特征。


整体机身瘦长、锋锐、犀利,总体机身正面略显偏窄,侧面看机身稍显厚实,为升力体机身。由于机身较长,其中有巨大的空间可以布置内置弹舱和油舱。

其他主要特点还包括,采用V型全动垂尾;具有菱形机头边条和机翼前小边条;和确认服役的三种四代机(F-22、F-35、T-50)一样采用上单翼,但翼展相对最小(学名为“小展弦比”)。



歼-20究竟是四代机还是五代机

在各国军方、专家学者、新闻传媒中,存在着对战机代次的不同定义和划分,而由于不同叫法中新老代次的错迭,进而导致了更大的混乱。比如说,中国的这种新型战斗机到底是四代机还是五代机,四代机是指像苏-27这样的还是指像F-22这样的战机,一直难以统一,甚至还进一步分化,连很多军事迷都说不清道不明。

为此我们在此不得不在此花些篇幅追根溯源,解释清楚这一问题。首先,关于二战后喷气式战斗机的代数划分,有着两个略有差异的划分办法标准。而原先美国所采用的划分标准是:


第一代喷气式战斗机生产于战后的上世纪40年代末至50年代,典型战机有美国的F-80、F-86、F-100和苏联的米格-15、17、19。

第二代战斗机兴盛于1960年代,典型战机有美国的F-104、F-4和苏联的米格-21、23,特点是追求更快的速度。


第三代战斗机在此后不足十年即开始面世,一直兴盛至今,美国的F-14、F-15、F-16、F/A-18,苏联的苏-27、米格-29,法国的幻影-2000,中国的歼-10都在其列,其特点是转为追求更强的机动性,配备了中远程空空导弹,超视距空战成为基本作战样式。

F-22宣告了第四代战斗机时代的到来,它也定义了四代机的四个标准——隐身、超音速巡航(四代低档战机做不到,如F-35)、超机动性和信息能力。


俄美面子之争加剧的混乱

而在原苏联的划分办法中,又将美国标准的第一代战机根据能否超音速飞行,划分出前后两代,形成了五代战机。第一代是F-80、F-86和米格-15、17这种亚音速战机,第二代是F-100、F-101和米格-19这种超音速战机。由于这种划分过细,没有必要,中国并不采用此办法,而是习惯采用美式的划分。

不过,由于近年来俄罗斯处于市场宣传的需要,竭力将自己的T-50称为第五代战机,将苏-27改进型称为四代半战机;美国觉得自己比俄式战机都先进的F-22只称为第四代,实在是气势上吃了亏,于是近两年也改用了俄式的划分法。于是乎,俄美、新旧不同的办法交织在一起,造成了极大的混乱。


而中国则坚持继续采用四代划分法,也就在国际传媒中遭遇了美国前些年的困扰。不过,中国军事迷们并不以为意,亲切地把黑色的歼-20称之为“黑四代”,简称“黑丝”。这倒也是一种鲜明的区分。

已确定将服役的三种第四代战机:F-22、F-35、T-50


F-22战斗机是美国洛克希德-马丁公司为美国空军研制的21世纪初主力重型制空战斗机,主要用于替换美国空军现役的F-15战斗机,在美国空军武器装备发展中占有最优先的地位。1990年原型机首飞,1997年样机首飞,已经于2005年服役,目前预定建造的180架已经全部交付空军,但美国空军希望能拥有380架,而最早的装备计划更是多达750架。

F-35是由洛-马公司设计的中型战斗机,目前正在试飞,预计2014年开始装备美国空军、海军和陆战队,其总体布局就像缩小版的F-22,但与F-22相比较为低端,隐身能力无法与F-22相媲美。为了兼容陆战队型号的垂直起降要求,不但不具备超音速巡航能力,甚至最大时速不过1.6马赫,是最近50年来的战斗机中最慢的,非常不利于空战。其设计目标和执行的任务70%是对地攻击,30%是制空任务。将成为美军以对地攻击为主的多用途战斗机,替代退役的第三代战机。此外还将作为惟一一款可购买的高端战机出口到美国的诸多盟国。


T-50是俄罗斯苏霍伊设计局刚刚推出的第四代战机,总体基础在大获成功的苏-27的基础上改进,2010年1月29日上午首飞。预计将在5-6年后装备俄罗斯和印度空军。



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。



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。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。

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。

从照片上可以看出,歼-20的机头较窄,两侧的进气道也不宽,甚至对飞机座舱的高度也严加控制;虽机头正面同为菱形,歼-20却比F-22的肥大的正面要小不少。而且后机身两台发动机紧紧并列,整个机身细长,横截面小,弹舱和油舱则利用较长的机身在纵长方向安排。


在迎风阻力小的细长机身上,歼-20又配备了小翼展、较大后掠角的主翼,主翼面积明显偏小(因此而生的机翼单位载荷过大等问题,则靠鸭翼和边条所带来的增升效果来解决)。另外一个引人注意的设计是面积相对较小的全动V型尾,这也尽量减少正面迎风截面积的一个措施。

瘦长、锋锐的机身,窄小的机翼;总之,该机的每一个主要气动外形设计,都为了超音速下的减阻增升——同时也在一定程度上减少正面雷达反射截面。歼-20的构型显然具有比F-22、T-50更小的超音速阻力,更佳的升力系数,在保证隐身的前提下将气动布局做到了极致。



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)。



“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。

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)。



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。



物件对不同的雷达有不同的反射特性

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。


在工程实践中,如果鸭翼整体使用的是吸波材料,隐身就不成问题;而哪怕仍然是金属材料,实际也影响不大。

实际上,主翼前缘襟翼影响隐身的问题,比鸭翼复杂得多。前缘襟翼横跨整个机翼前缘,体量又恰好接近于厘米波雷达,在襟翼变化角度时,与机翼产生的凹腔结构,导致雷达反射大大增强,这个问题处理起来要棘手的多。


要处理襟翼对厘米波雷达的隐身,只有特定波段的吸波涂层或者特种复合材料,才能取得较好的效果。相比而言,鸭翼布置的问题实在是不值一提。

而要满足隐身要求,消除“外形不连续处”,除了要处理好机身表面的开口,更需要处理好机身内部的发动机正面涡扇叶片、尾喷口,以及机载雷达、座舱设备等零碎部件对敌方雷达波的遮蔽问题。


其中发动机涡扇叶片可以用弯曲的S形进气道遮蔽并在进气道涂上吸波材料,尾喷口可以用尾部延伸的尾撑遮蔽,机载雷达遮蔽可以用单向透波材料制作的雷达罩解决,座舱可以用座舱盖镀金的办法解决。

这些特殊材料、工艺和办法,才是制造隐身战斗机真正的、回避不了的难题,这涉及到诸多工业行业的硬实力。


除了角形结构和凹腔结构的强反射信号,雷达隐身处理中还要考虑镜面垂直反射,解决这个问题主要是靠外形设计,也就是大部分隐身飞机的典型特征——外形由尽量少的几块面和线构成,以把飞机的垂直面信号特征控制在几个有限的方向,错开主要威胁角度。而在此基础上,还要通过计算设计出良好的过渡曲面,实现外形隐身的目的。

这一点大家都较为熟悉,不再详述。只不过大部分人都不会料到,这种隐身飞机最为直观的、总体外形上的隐身,在隐身处理的考虑顺序和难度上,其实是被排在较为靠后的位置。



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。

首先,歼-20的菱形机头,斜侧而简洁、上下表面非常平直的机身,都是非常明显的隐身设计,这减少了不连续平面带来的雷达反射。机翼、鸭翼前后缘考虑了前后平行的折射考虑。而大外倾,面积较小的V尾和腹鳍,也是有效的隐身措施。


对于非常重要的发动机遮蔽上,首先DSI鼓包就是遮蔽措施,而从机身两侧的进气口到尾部并列紧靠的尾喷口,说明进气道有明显S形设计,可有效阻挡发动机叶片的雷达反射,这比T-50那个直筒状、仅有很少遮蔽的进气道效果有天壤之别。

而在同样重要的减少“外形不连续处”上,歼-20大大减少了维护口盖数目,明显可见的只有采用了锯齿形边缘的起落架舱。而且主起落架舱盖较大,这是一个将必不可少的起落架舱和检修窗口合二为一,减少开口的巧妙设计。


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。

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。



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。



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。



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