J20的主要性能分析系列(一)

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J20的主要性能分析系列(一)

空重与空战推比

WS-15的性能目前还没有确切消息,已知其重量约为1。5吨,推重比10一级,和F-119同等级,台架推力未知。F-119发动机台架推力15。5吨,其二元矢量喷管即使不偏转,也会造成3%左右的推力损失,地面推力不会超过15吨。而且二元喷管较重,大约80公斤左右。WS-15的三元喷管较轻,姑且算50公斤,而且不偏转时没有推力损失,那就是用1。45吨的重量去达到15吨的推力,推重比为10。34,比F-119的10。91难度小一些。

WS-15和F-119都是1。5吨重,那么飞机空重上也不会差别太大。以发动机重量和飞机空重的比值看,F-22是19。6/3=6。53。要降低空重,要么减少武器携带量削弱火力和持续作战能力,要么减少电子设备携带,降低作战效能。要么减少内油,但是鸭式布局本来就航程小,再减就更低了。如果在各个方面都不肯降低要求,那么以我国和美国在材料、结构等方面的差距,歼-20的空重无疑会大于F-22。

某新型战斗机的复合材料使用比例

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机头雷达罩到喷管的长度,歼-20比F-22长出2米,考虑机身宽度和高度,多出来的空间大约有8立方米,将两机外形因素考虑进来之后,大约会多出3-4立方米。这是歼-20空重的不利因素,增重至少有1吨。起落架安装于机翼根部,直接与机翼承重梁相连,长度较大,这会增重0。3吨左右;F-22安装起落架的机身框架也需要加强,这部分增重估计超过0。1吨。


歼-20全动垂尾的面积比F-22垂尾大约小一半,减重约0。2吨。机翼面积较小,估计减重0。3吨左右。歼-20的DSI进气道不需要附面层隔道,比F-22的加莱特进气道减重约0。3吨。歼-20采用鸭翼+矢量喷管进行俯仰控制,两者一前一后、一抬一压,控制力矩较大,对机身结构强度的要求较低;F-22采用平尾和矢量喷管进行俯仰控制,两者都在升力中心后方,力矩小,要求较高的机身结构强度;但是这部分重量贫道无法估计,暂且算0。5吨。


要说歼-20能减重,估计最大的可能还是在电子设备方面。美国航电技术虽然先进,但毕竟是在15年前就技术冻结的东西,选用的零件还是那时候的标准。歼-20比F-22晚了这十多年,就可以采用最新的电子设备。比如说用**规模集成电路取代大规模集成电路,用网线和光缆取代电缆等等。只要微电子工业的差距没有达到80年代苏联与美国那么巨大,歼-20就完全可以在这方面获益。

F-22的空重为19。6吨,内油8。2吨,暂且估计歼-20的空重与内油和它一样。空重、内油一样,发动机推重比可以低0。6,这样的要求估计还是可以达到的。

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如果这里的推测错了,那么歼-20还有两个可能。1、砍内油、电子设备和弹仓,这样能大幅度减重,空重降低到18吨以下都不成问题,推重比立刻就上去了,但出来的就是一国土防空机,俄罗斯的T-50就是这样的思路。2、什么都不砍,宁可推重比低一些也要保证作战效能,依靠隐身优势主动发起攻击歼灭敌机,依靠气动方面的优势对抗F-22。目前看,歼-20走的是这条路线,这也是最有前途、最适合进攻型空军的路线。

F-22有不同阶段的改进批次,也有持续的改进计划,美国空军为早期生产的F-22安排了每架一亿多美元的升级费用。但是,这些改进都是围绕航电和武器进行的,根本没有发动机增推的项目。从美国空军的选择也可以看出,推重比低一些没关系,五代机优先要强化的是航电系统。

这张图放大,能看到机身侧面弹仓的缝隙弹仓

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在机身内部武器舱方面,贫道相信歼-20的弹舱布置方式和F-22一样,能携带的导弹数量也会相同。

首先说两侧弹舱,从歼-20后方拍摄的地面检查图上,可以清楚的看到两侧弹舱的缝隙,和F-22的布局相同。歼-20机长19。6米,要容纳1枚3米长的近距格斗空空导弹,弹舱长度最少为3。1米。从主起落架前舱盖算起,间隔0。2米,弹舱会一直延伸到鸭翼前缘,也就是DSI进气道转折、机身横截面积最大的地方。侧面弹舱与鸭翼位置重叠,当鸭翼在大俯仰角状态时,可能会阻碍弹舱盖的打开。

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F-22的侧面弹舱盖垂直于机身侧面歼-20机身厚度约为1。8米,测量图片可知,侧面弹舱与鸭翼翼根的高差约为0。4米,弹舱高约0。4-0。5米。歼-20鸭翼长约2。6米,转动轴在鸭翼中部。当鸭翼偏转超过15度时,就会超过0。4米的限制。但是歼-20的机身侧面有25度倾角,假设歼-20的侧面弹舱上门打开时与机身成90度角(即与F-22相同),考虑到这个因素,鸭翼偏转超过22度时才会影响弹舱门开启。要在更大的鸭翼偏转角范围内避免影响弹舱开启,可以采用移动鸭翼转动轴位置的办法。假设鸭翼在空战中以大迎角状态为主,那么就将转动轴后移,减少转动轴后的鸭翼长度,从而减小影响范围。

到现在为止,一直看不到歼-20的机腹弹舱。因为隐身机要求减少开口,机腹弹舱要兼职电子设备检修口盖的功能,所以不可能不装,不然没法检测飞机。歼-20的机身最大横截面积与F-22相近,机身更长利于纵向布置,弹舱不会比F-22更小。4。2*2*0。6米的弹舱容积约为5立方米,足以容纳6枚中距空空导弹。美国研制F-22的时候曾经考虑过折叠弹翼和小弹翼两种结构的空空导弹,最终选择了翼展为450毫米的AIM-120C。我国研制的新中距空空弹虽然质量一直不过关,但控制翼展总是做得到的。

俄国人做得线图里,歼-20的机腹弹舱里就放了4枚空空弹,结果按照比例一量,弹翼翼展高达0。7米,难怪就放4枚,根本没做弹翼修型啊。难道他以为我们是印度人,研制步枪能忘了配套生产子弹,买战斗机能忘了买携带的导弹。

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重型四代机的优势就是可以兼顾大航程和大带弹量的要求,一次出击中攻击多个目标,用最少的数量提供最大化的空优。歼-20不可能和T-50那小东西一样就带4中2近。

超巡能力

贫道认为,歼-20飞机强调的依次是超声速巡航、机动性、隐身能力,三者的比例约为35:35:30;在发动机推重比相同的条件下,歼-20的超巡能力会比F-22更好。之所以如此,是基于以下理由。


从歼-20和服务车的合影测量,其机长约为19。6米、翼展12。2米,机高4。5米。和F-22相比,歼-20机长超出0。7米;而且歼-20发动机喷管靠后,如果测量机头雷达罩到喷管的长度,那么歼-20比F-22长出2米。较长的机身有利于纵向布置弹舱、油箱、电子设备舱、起落架等,减小飞机最大截面积,这也是降低超声速阻力的首要问题。

正面照片,能看出进气道口并非最大横截面所在

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从正面照片可以看出,歼-20进气道唇口后的机身横截面积继续增大,到鸭翼前缘附近开始收缩,与F-35类似,而非F-22那种进气道口为机身最大横截面的结构,这样可以改善飞机面积率分布,得到更加平滑的面积曲线,减小超声速阻力。


鸭式布局的飞机,鸭翼在超声速下产生升力,有利于提高超声速升阻比,所以鸭式布局有利于超声速飞行,这点可以从XB-70这种3马赫巡航轰炸机的选择鸭式布局上证实。常规布局的飞机,其平尾在超声速下产生下压力,以适应超音速飞行时升力中心后移,飞机静安定度降低,飞机抬头趋势增加的情况,这会导致整机超声速升阻比的降低,F-22采用常规布局就必然有这个问题。


从首飞图判断,歼-20的机翼后掠角约为50度。宋老《一种小展弦比高升力飞机的气动布局研究》中提到,小展弦比、大后掠角的机翼超声速阻力特性较好,但对低速最大升力特性和压跨声速升阻特性不利;如果采用升力体边条翼鸭式布局,则中等后掠角机翼可以保证适当的升阻特性。现在歼-20的机翼后掠角较大,应该是为降低超声速阻力作出妥协,适当放松对最大航程和最大稳盘角的要求,强调超声速巡航和作战能力。F-22的机翼后掠角约为42度,其性能取舍与歼-20相反,对超声速性能不利。


要在降低超声速阻力的同时保持较大航程,飞机可以采用放宽纵向静安定度的办法来缓和亚超声速升阻比的矛盾,宋老论文中设想从三代机的3%量级放宽到10%量级。在歼-20杨伟的一篇论文中,提到某型歼击机的重心变化量是5。3%气动弦长,静安定度为-11。4%-18。5%气动弦长,已经达到宋老的设想。目前看这篇文章说得可能是歼-10,歼-20的静安定度不会低于歼-10的水平,可以认为放宽纵向静不稳定度的设想已经实现。


F-22后机身与二元矢量喷管平滑过渡,降低了底部阻力,提高了升力系数,对于实现超音速飞行有良好的正面影响。歼-20的后机身设计则十分粗糙,机身收缩突兀,会增大底部阻力,估计在换装WS-15发动机后会进行后机身修型。


歼-20比F-22有更好的纵向布置减小机身最大截面积的条件,有更平滑的面积曲线,有更适合超音速巡航的鸭式布局,有更大的机翼后掠角,只要发动机能达到F-119现在的水平,超巡性能超越F-22是很正常的。


机动性推测


机动性方面,估计歼-20主要侧重超音速和跨音速机动性能,强调大迎角性能和超音速机敏性,对三代机最重视的亚跨音速机动性能要求靠后。F-22虽然也强调超音速和跨音速机动性能,但受布局限制,恐怕只在飞行包线的左侧(低速区)对歼-20有优势,右侧(高速区)则逊于歼-20,而且飞机的敏捷性会低于歼-20。

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稳定盘旋性能就是在不降低飞行速度的前提下,飞机能达到的最大盘旋角速度。因此稳盘取决与两个因素:升阻比和发动机推力。阻力取决于飞机布局和横截面积,是相对固定的,变量是升力。三代机的最大升力系数一般在1。6左右,采用升力体边条鸭翼布局,边条和鸭翼结合能提高0。6左右的最大升力系数,远远超过单独采用前边条时0。2、单独采用鸭翼时0。3的最大升力系数增量,这对提高飞机的大迎角性能,提高稳盘能力有巨大的影响。歼-10因为是单发飞机的缘故,空战推重比较低,这导致其稳盘性能非常吃亏。歼-20采用双发结构,只要WS-15给力,空战推重比上就不会吃亏。两方面影响叠加,歼-20的稳盘性能会比歼-10有巨大的提高。


大迎角性能主要影响飞机的稳盘性能,对大迎角性能影响最大的飞机的配平能力,即在大迎角状态下强制飞机低头,恢复平飞的能力。这之所以重要,是因为如果无法恢复平飞状态,那么现代采用静不稳定布局的飞机会不断自动加大迎角,直到飞机翻滚过去,然后进入不可控制的螺旋飞行,直到坠毁。大迎角状态下,鸭翼也好,平尾也好,其产生的升力都已经达到最大限度。鸭式布局的飞机如果要强制低头,那么偏转鸭翼减少升力即可,这很容易。而常规布局的飞机要低头,必须偏转平尾产生更大的升力,以抬起机尾强制飞机低头;已经达到极限状态的平尾要再次增大升力谈何容易,所以平尾的尾容量一定要大,以为低头露出余量。所以在其他条件相同的情况下,鸭式飞机有更好的大迎角性能,25度以上迎角时尤其如此,而这也是三代机迎角限制的极限,四代机正要求比这更大的可用迎角。F-22的平尾虽然巨大,歼-20的鸭翼一样不小,而且鸭翼距离飞机升力中心更远,控制力臂更大,所以效果更好。


除了气动控制翼面以外,四代机还可以用矢量喷管达成配平的目的。F-22的二元矢量喷管和歼-20的三元矢量喷管的最大偏转范围、最大偏转速度、发动机推重比如果没有质的差距,那就不会对大迎角性能有多大影响。用矢量喷管配平有个劣势,那就是降低发动机推力,可能达到10-15%的量级,这会导致飞机弥补失去动能的速度降低,飞行速度迅速下降,印度的苏-30MKI在参加美国红旗演习时因为这个原因失败了很多次,所以最好不要采用这个办法。F-22的二元矢量喷管推力损失较大,也是不利因素。


影响大迎角性能的另一个因素是飞机的偏航控制性能。在实际飞行中,飞机为了提高瞬盘和稳盘角速度,都是先绕机身纵轴滚动,然后拉大迎角进入盘旋,即在盘旋中飞机是头向内侧着飞的。实战中,飞机做稳盘最常用的动作是剪刀机动,即边盘旋边爬升。因为要爬升,所以就会有侧滑角,带侧滑角的大迎角状态下,飞机左右两侧所受气流不平衡,就会导致飞机向一侧倾斜,破坏飞机的爬升角,或者被迫退出大迎角飞行。


根据宋老的论文,由于未来战斗机将充分利用脱体涡流型来改善最大升力特性,来自前体的脱体涡会在垂尾处诱导出较大的指向外侧的当地速度,即当地侧滑角。如果垂尾后掠角足够大的话,如此大的当地侧滑角足以在垂尾外侧诱导出前缘脱体涡,形成低压区,还会使垂尾内测的静压升高。这样,垂尾就成了一个高效的、指向外侧的侧力面,在垂尾和机身上表面产生负升力,引起不希望的抬头力矩,由此导致的最大升力系数损失在0。1-0。4之间;在侧滑的情况下,垂尾的偏航/滚准稳定效率可能降低。为了减轻垂尾的不利影响,歼-20采用了全动垂尾,以便在减小垂尾面积的同时保持足够大的操纵面。同时,全动垂尾还有利于增大超音速状态下的有效控制面面积,提高超音速稳定性。这一条的影响也不可忽略,歼-8飞机最大速度限制在M2。2,就是因为速度继续增加时飞机纵向稳定性不足。

在大迎角条件下,差动机头边条和阻力方向舵有较高的偏航控制效率,目前没发现这两者在歼-20上有应用。带上反角的鸭翼可以实现直接侧力控制,但是否可用于大迎角条件下尚不确定。不过歼-20采用三元矢量喷管,可用推力矢量控制的方式实现偏航控制,这比F-22的二元矢量喷管有先天优势,所以整体而言偏航控制能力会更好。偏航控制需要的力矩比俯仰控制要小得多,对发动机推力造成的损失较低。


飞机的瞬盘能力是指在允许飞行速度降低的情况下,飞机的最大转弯角,这与飞机的最大升力有关。鸭式布局本来就以大瞬盘角占优,强调瞬盘能力的四种3代半飞机(阵风、台风、歼-10、JAS-39)全部采用鸭式布局,就是最好的说明。况且歼-20采用升力体边条鸭式布局,最大升力肯定超过歼-10,因此在瞬盘方面歼-20很可能也会比F-22更好。


歼-20较大的机翼后掠角对对低速最大升力特性和压跨声速升阻特性不利,所以歼-20的机动性优势区可能在右侧(高空高速区),这也是四代机空战的主要区域,左侧(低速区)则是F-22占优。因此在航展的飞行表演上,F-22的动作会更有观赏性,但这并不能代表两者整体的飞行性能对比。


敏捷性是指飞机迅速改变飞行状态的能力。如果一个飞机的盘旋性能非常好,但因为滚转速度低,所以需要5秒钟才能达到最大盘旋角速度,那么它在空战中必然失败,因为对手在其反应过来之前就已经占据优势将其击落了。敏捷性与飞机的气动布局、静不稳定度、飞行控制系统等有关,鸭式布局在这方面占有优势,这也是3代半飞机采用鸭式布局的原因之一。歼-20有升力体边条鸭式布局,有高静不稳定度,更有经历过歼-10研制的飞控设计队伍,在这方面一定会有极好的表现,压倒F-22并不奇怪。

J20的主要性能分析系列(一)

顺便说一句,歼-20采用的升力体边条鸭式布局本来就有极其复杂的脱体涡流场,又设计了鸭翼和垂尾4个全动控制面,,再加上三元矢量喷管,飞控的复杂度会是F-22的几倍,负责写飞控的这群人没发疯真是不容易,他们不会偷着扎杨伟的小草人吧。没办法,谁让咱们国家在发动机、材料等方面不如美国人呢,只好靠软件来弥补了。电子设备目前不了解,对此不多言。隐身性能推荐鼎盛中华论坛暖风的文章,他认为歼-20和F-22的正面、侧面RCS没有数量级的差距,基本在一个档次上,尾部RCS上F-22占优。顺便说一下我对尾部RCS的观点,两机同向飞行时,由于多普勒效应的存在,雷达搜索距离会大幅度缩短,即使对三代机也只有30千米左右。所以,歼-20尾部RCS大一点没什么关系,F-22的尾部处理也是以红外隐身为主。

















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