歼10B颠覆性进展震动全球:DSI进气道泄中国风洞秘密

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谈大陆的风洞与J-10战机



甲. 漫谈风洞的发明和应用



飞机设计有一个非常重要的设备,那就是风洞。随着飞机的速度越来越高,还有导弹和宇宙飞船加入飞行的行列,风洞就成了科学家设计飞行物必不可少的设备了。



世界最早的风洞是英国人在1871年建造的,但是飞机的发明人却是美国的莱特兄弟。莱特兄弟在1901年建造了一个风速每秒12米的风洞,用它做实验发明了世界上第一架飞机。但是真正有系统地建造大量风洞的是德国人。



1907年,德国的哥廷根大学成立了「哥廷根空气动力实验院」,这个实验院的创办者和主持人就是后来赫赫有名的普朗特教授(Ludwig Prandtl,1875~1953)也是流体力学的奠基人,被称为「现代流体力学之父」。普朗特认为研究空气动力学必须做模型实验,于是在1906年建立德国的第一个风洞。接着在普朗特的领导下,德国耗费巨资建立了一批低速、高速、超高速和特种风洞。



普朗特善于观察同时也善于分析,成就他非常杰出的学术能力和学术贡献。普朗特的直观洞察能力使他深入了解物理本质,然后他杰出的分析能力再把物理本质用数学方程式概括出来,这样结合了物理性质和数学理论就奠定了流体力学的理论基础。当时的德国在流体力学,特别是空气动力学上领先世界。根据这些扎实的理论基础和风洞实验,德国制造了V1和V2火箭还有世界第一个喷气发动机。



乙. 中国的风洞设备



普朗特教育了一批高徒,其中一位杰出者叫冯卡门(Theodore von Karman,1881~1963),是流体力学的第二代掌门人。冯卡门也教育了一批高徒,其中一位杰出者叫钱学森,是流体力学的第三代掌门人。



不过中国的第一个风洞不是钱学森建立的,而是清华大学在1936年自行设计的,直径1.5米。



1936年,清华大学在南昌建造了直径4.5米的风洞,最大风速达到每秒58米。



1947~1948年,清华大学在北平建造了横切面为椭圆形(0.762米x1.016米)的铁壳风洞,风速每秒40~50米。



想想看,上个世纪的三0年代和四0年代中国是在战乱中挣扎,但是即使在如此艰苦的环境中我们的科学家仍然努力从事尖端研究,并没入忘了知识分子对国家的责任。



新中国成立后,在钱学森的指导下建立了一批现代化的风洞群,高速摄影机、高速计算机、各种应用软体等等现代化的设备一步步成套地建立。根据新华社2006 年的报导,中国建成各类风洞一百四十余座,在风洞试验、数值计算、模型飞行试验等领域取得长足进步,空气动力学的设备、技术和人才均跨入国际先进行列。



2008年11月13日,中国空气动力研究基地庆祝40周年,在纪念大会上基地负责人王希山介绍,该基地拥有52座风洞,是亚洲最大的风洞群,其中有八座属于世界领先。风速从低速、高速、超高速构成衔接,能够进行从低速到24倍音速,从水下、地面到94公里高空,覆盖气动力、气动热、气动物理、气动光学等领域的空气动力实验能力。研究的课题从各型战机、神州系列飞船、「和谐号」高速列车、还有上海三百多米高的东方明珠塔等等。



设计和建造风洞不是一件简单的事,低速的风洞可以用风扇吹,超音速的风洞就需要用压缩空气了,实验的时间只有几秒甚至几毫秒,困难的程度远非一般人能想象。



中国的风洞群完善的程度世界第三、亚洲第一,仅次于美国与俄国。



美国与俄国的优势是风洞的直径很大,可以把整架飞机放进去。



风洞设备耗资巨大,风洞实验也耗资巨大,尤其电力的消耗是非常惊人的。风洞的建立百分之百是为了设计飞行器的外型,风洞实验是设计任何飞行器的必经过程。



譬如美国「哥伦比亚号」航天飞机的外型设计在风洞实验上就超过三万小时,美国为了计算F-22菱形机身的空气阻力系数进行了二十二种不同的风洞检测。想想看,这得花多少时间和金钱。



中国的神州飞船和J-20战机也是一样,单是风洞实验就是一个巨大的工程。



对隐形战机而言,风洞实验尤其重要,因为有些隐形的设计是以牺牲气动性能为代价。



设计隐形战机的外壳形状过程非常复杂,需要耗费极大的人力和物力,绝不是一件简单的事,也绝不可能“山寨”别人的成品。隐形战机的设计必须脚踏实地从理论计算、风洞实验、暗室测量反复进行,一步都不能少,并且要留下详细记录。如果过程中有任何马虎,那么当飞机制造出来试飞出现问题的时候,很可能连问题的源头都找不到,这还怎么解决?



丙. J-10的例子



飞机是一个外形复杂的物体,它在高速飞行时所产生的种种问题非常复杂,不可能有理论模型,「风洞实验」可以解决大部份的问题,但是仍会有漏网之鱼。譬如中国J-10战机即使经过无数次的「风洞实验」,在试飞的时候发现机头部分有震动的情形,是「风洞实验」没有看到的。最后解决的方法是在进气口和机头下方用六个“小棍子”连在一起



大陆很多网友最初以为六个“小棍子”是因为机身结构不够坚固所采取的加强措施,台湾也有网友也跟着发出恶意的批评说J-10的结构有问题。后来发现这些 “小棍子”其实是方向不同的薄片,它们的作用不是加固结构而是改变气流的方向,避免引起共振。这个实际例子告诉我们设计战斗机的外型是一个非常细致和困难的工作,即使经过风洞实验也会有未发现的问题。



丁. J-10B 的诞生



任何战机都是不断改进的,譬如美国的F-18从AB型到CD型再到EF~G型,价钱也不断地攀升,最新的F-18EF价格接近一亿美元。每次改进只要机身有改变就一定要通过风洞试验,譬如F-18EF的机身是加长的。



大陆的J-10战机也是一样,服役后改进的工作一直在进行,进行雷达与导弹装置的升级。



2009年04月,J-10B出厂了。从机首到机腹有非常显著的改变下,一体成形、浑然天成,让世人佩服成飞的智慧与设计水平。歼10B颠覆性进展令俄罗斯苏霍伊的专家都感到震惊,认为歼10B基本上和歼10A不是一款机器。



他们指出J-10B不是小修改,而是包括外型在内的巨大改进。看到没有?J-10A进气口上面的几根“小棍子”已经没有了。J-10B的外型非常漂亮,但是更重要的是性能,YST 个人认为J-10B 的性能超过美国最新型的F-16CD〈可惜是载弹量与火力稍差了些〉,是三代机中的佼佼者,部分跨入四代机(机身有装置了等离子隐身传导器)。



J-10B 的主要改进如下:



A. 进气道



进气道的设计对高性能战机非常关键,因为战机在不同的高度、速度和姿态来飞行需要不同的进气量进行燃烧,必须和发动机有紧密的配合才能得到最佳的燃烧效率,它直接影响飞机的动力,这不是一件简单的事,搞不好甚至会造成发动机空中停车,这是非常危险的事,高空启动发动机有高度风险,很多飞行员因此送命。



J-10B采用了最先进的DSI进气道(又称“蚌”式进气道),见图。读者在J-10B的进气口上方可以清楚看到一个鼓包,那就是“蚌”式进气道的设计。这个鼓包的形状是可调节的,用来控制空气的进口量。



DSI进气道有两大好处:



a. 屏蔽了发动机的叶片,大大地降低了雷达截面和雷达特征;



b. 节省了进气道和机身的隔片,J-10B因DSI进气道减重一百八十公斤。



DSI 进气道是美国最早发明的,但是只用在F-35上而且是不可调的。中国立刻跟进而且将它发扬光大,成为可调的“蚌”式进气道,提高了超音速飞行的效率。成都飞机设计公司已经把这种先进的进气道成功应用在J-10、FC-1(「枭龙」)和J-20,比它的发明者,美国洛马公司,有更多应用的经验。



B. 有源相控阵雷达(Active Electronically Steered Array,简称AESA)



「有源相控阵雷达」一般被定义为四代战机的标准配备,J-10B已装备了,所以J-20一定会装备有源相控阵雷达。



今天已经证实J-10B装备了中国国产的相控阵雷达,显然大陆计画把这个先进的电子产品先在J-10B做实验。



中国的周边国家已经开始或即将换装相控阵雷达,譬如法国的「阵风」、欧洲的「台风」、俄国的苏恺-35S、印度的苏恺-30MKI、就连韩国的F-15K 都计画要换装美国的有源相控阵雷达,而日本早在2000年就装备了自己研发的有源相控阵雷达,这些3.5代(西方标准)或后四代(俄国标准)的战机对中国构成威胁,无论是J-11B或J-10A的电子系统都面临压力,所以J-10B装备了中国国产的有源相控阵雷达是很自然的事。



相控阵雷达是一个非常重要的电子设备,YST将在下一篇作专题讨论。



C. 超音速巡航



大约一年前YST曾经看到报导J-10可以做短暂的超音速巡航(好像是15分钟),YST猜想也许是试验新研发的涡扇-10II(WS-10B)达到的。



不过中国大陆航空发动机的重点目标应该是「太行」,目前处于试量产与少量装备情况。近来「太行」发动机出现在越来越多的国产战机J-11B上,甚至是特别强调将安装在未来的舰载机J-15上,「太行」发动机的可靠性将一步步获得提升。



J-10B的体型与空重只有8.6吨,都比F-16CD小,机身轻,如果装备「太行」发动机肯定有能力进行长时间超音速巡航。



D. 隐形



J-10B在外型上有显著的改变,网上泄露的消息是RCS降低了一个数量级。其实J-10A在设计的时候已经有隐身的考虑(譬如翼身融合),RCS不会超过3m2。如果J-10B的RCS降低了一个数量级,那么它的RCS就应该在0.3m2左右。依照YST的定义,RCS小于1的战机称为隐形战机,所以 J-10B可以列入低端的隐形战机了。



戊. J-10B将成为一个低端的五代机



2009年11月08日中国空军副司令员何为荣在接受中央电视台访问时透露,中国正“紧锣密鼓”地研制第四代战机〈J-10B、J-20〉,“可能很快要进行首飞,首飞又很快就进行试飞,很快就装备部队。根据现在2011年的现况判断可能还有其它隐身战机将出现。



这是解放军重量级将领当时在国营电台发表的谈话自然引起重视,中国的第四代战机立刻引起热烈讨论,亚太的势力平衡将被彻底打破云云,英国的[简氏防务周刊]根据现在的J-20模型甚至推测中国的新一代战机隐身性能和打击火力性能有可能局部超越美国的F-22和俄国的Su-35、T-50。



中国大陆的武器研发一向行事低调,中国军方历来不喜欢说大话,竭力避免“中国威胁论”的出现。于是过了几天空军有关负责人就出来灭火,解释说中国所谓的第四代战机是歼-10的一种改良型。当时这番灭火的话引起不少大陆军迷的失望。


今天看来上面的两种说法都对,何为荣副司令员说的是J-20,后来空军有关负责人说的是J-10B。



中国大陆的J-10就像美国的F-16,量产后的J-10每一批都不同,不断地修改和演变进行性能提升,现在已经显露的征兆是J-10B将满足「4S」至少成为一种低端的四代机(俄国定义的五代机)。



YST非常认同「成都飞机公司」这种做法,不追求极致性能,要求均衡发展或局部超越,始终把价格控制在能够大量生产的范围,战机要能够外消这才是正道。



追求战机在某个特定方面的极致性能是非常不智的,譬如F-22在隐身羽综合战力上不顾一切的追求,导致成本吓人。战机作战不是一对一的单挑而是多方协同的作战。如果中美真正打起来,在空中预警机、卫星和各种导弹与长程地面雷达支持的复杂环境下,昂贵的F-22A对上便宜的J-10B未必具有优势,这要看双方战术与高尖技术的运用〈就像美军F-18G咆孝者电战机用电战干扰F-22战机雷达后,逼近F-22,再用红外追热导弹击落F-22〉。面对J-20的情况,F-22A的优势就更渺茫了。


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