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帖子主题:一种新型前掠翼“海四代”舰载机的方案

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一种新型前掠翼“海四代”舰载机的方案

随着新一代弹射型航母的进展,J15之后的第二代舰载隐身战斗机(“海四代”),成为各方的争辨焦点,在J20的舰载改型和J31的2.0版两种方案之外,本人依据在《一种半三体结构航母的设计》文中提出的初始思路,以及对《一种新型前掠翼通用战斗机的设想》的续改,在此提出第三种方案,以满足“海四代”舰载机的苛刻要求。

总体设计方案:采用“鸭翼+前掠主翼”的总体气动方案;并通过M型主机翼、翼尖反升力设计、锯齿型前缘设计、增大前掠角度等措施的组合应用,解决前掠翼的气动发散和最大速度低的缺陷;动力则采用对部分结构部件进行共用设计的“1台大推+2台小推“组合形式。总体方案如图1所示。

一种新型前掠翼“海四代”舰载机的方案

对该方案具体说明如下:

1、采用“鸭式布局+前掠型主翼”的总体气动设计

鸭式布局的优点体现在机动性强、高速性好、高升力结构等方面, J10、J20的成功是对这一结构优势的完美体现,在此不再赘述。

前掠翼型和后掠翼相比,后掠翼因机翼表面气流会向翼尖流动,导致翼尖局部失速,即便不失速,也会损失升力,导致整体升阻比降低;且随着机翼后掠角度的越大,升阻比越低。而前掠翼则不存在这种翼尖升力降低的问题,恰恰相反,其翼尖升力效率很高;而且流向翼根的空气受机身阻挡后流向机尾,可用平尾或者可动端板进行调整,提供强大的配平能力,提高机动性。

前掠翼的总体优势包含了结构、机动、起降、可控等四大方面。与相同翼面积的后掠翼飞机相比,前掠翼的升力增加约30%,对缩减机翼面积、降低结构重量、增大航程、改善低速操纵性能、缩短起飞着陆滑跑距离等具有显著效果;同时,前掠翼与机身之间具有更牢固的连接,对提高机动时的气动性能、增大飞机内部容积、提高隐身性等也十分有利;而且,其独特优异的亚音速气动性能若与矢量推力技术配合,几乎是各种翼型中的机动之王。这些优势用其它方法很难达到或者不可能达到,也与“海四代”舰载机的技术要求完美锲合。

因此,将鸭式布局与前掠式主机翼的结合,将能实现对全飞行包线(亚/跨/超音速)的全面高气动性能,从而对F35,甚至F22,形成天然设计优势。在我方动力技术等与对手尚有差距的情况下,若能成功实现这一设计,必将是一个十分适宜和完美的机型布局。曾经的Su47、X29等美俄前掠翼验证机也均不约而同地采用了这一布局型式。

然而,在其发展史上,前掠翼也因其两大明显缺陷,一直难以解决和规避。一是机翼应力过强,容易发生气动弹性发散。前掠翼的翼尖升力效应强,这是优点,但是过强的翼尖升力,将会导致机翼变形,翼尖上翘;而机翼本身是有弹性的,在升力发生变化时,机翼会产生弹性形变,进而引发机翼反复震荡,而机翼震荡本身又会导致升力发生更大变化,进而导致机翼受力急剧变化,震荡幅度加大,最终导致飞机失控甚至解体。二是超音速性阻力大。除了两个翼尖在超音速下也有很强的阻力外,前掠角度增加与气动弹性发散增强形成一个伴随矛盾,从而难以通过提高前掠角度来改善高速性能。

如俄Su47最终失败的一个主要原因是,在超过M0.8-1.4的跨声速范围以后,阻力就开始急剧增加,以至于高速性能完全无法令人接受,试飞中在达到M1.6以后就再也没有尝试更高的速度。Su47机翼的前掠角度只有20度,虽然增大前掠角度能够有效的减小超声速飞行阻力,但增大前掠角度又会急剧的降低前掠翼的气动发散速度,性能损失远远超过巨大的气动阻力。同样因素,美国X29的试验最大速度也只到M1.6。

因此,只有切实克服上述这两项缺陷,“鸭式布局+前掠主翼”超性能平台的设想才能具备可实现性。而下节中提出的组合措施,可使上述缺陷获得有效解决途径。

2、对“前掠翼”两大缺陷的解决方案

其总体思路是:首先采用M型前掠翼,以优化激波的产生;然后在M型翼外侧段采用负升力设计,以使消减气动弹性发散问题;再配合采用齿形前缘设计等措施,以优化机翼的气动阻力。 具体阐述如下:

(1)采用外边斜切的M型前掠翼,可优化激波的产生和机翼结构的受力如前图1所示,将前掠翼的翼梢前端朝内斜切处理,使前梢尖突,并增形成一条后掠的外前缘斜边,使得机翼前缘折线总体呈“M”形状。

相较于通常的“V”形前掠翼(即翼梢外缘为一条短弧线,翼梢也不尖锐),可具有以下优势:首先,由于翼梢前端变得尖锐,可以延迟、优化前梢的激波形成,从而减小超音速时的激波阻力;其次,外前缘斜边在飞行中受到的迎风阻力的水平分力指向机身侧,对因内前缘斜边段引起的指向机翼外侧的水平分力起到消减,从而弱化前掠翼在翼根处的受拉力,从而改善机翼结构寿命。

(2)外前缘对应的机冀段采用负升力设计,以延缓甚至解决气动弹性发散的产生

气动弹性发散问题是翼尖升力过强而产生的,尤其随着飞机速度的增加,常规设计的前掠翼面沿前缘方向的弯曲变形会使外翼增大迎角,从而增加外翼升力,进一步增加机翼的弯曲变形,带来恶性循环。通常的解决办法中,一是加大机翼强度,但在现有的材料性能条件下,将导致前掠翼的优势被增大的重量代价吃掉;而且,由于气动弹性发散问题是随着飞行速度的增大而非线性急剧增强,若拟提高最大设计速度,其结构强度也需相应非线性急剧加强,导致设计难以控制,故不能从根本上解决问题。另一个方法是减小前掠角度,虽可减轻气动发散问题,但又导致超音速性能更加变差。

因此,本方案中另辟稀径,在外翼段(即外前缘对应的机冀段)采用负升力设计,使在翼尖部位形成一个垂直向下作用力,对因(机翼升力过强而引起的)弹性发散而引起的翼尖上翘,形成一个“小力量、大力矩”的反向按压,避免因上翘过度引发振荡的出现,从而保持翼面的稳定;且随着飞行速度的增加,负升力与机翼正升力均同时在增强,始终能够维持一种动态平衡,从而在提高最大飞行速度时,带来有利条件。

一种新型前掠翼“海四代”舰载机的方案

如图2中所示,在外冀段(i段)将正常的升力剖面倒置设计,即可成为负升力设计;而内冀段(ii段)仍采用正常的升力剖面形状。为了避免两种不同翼形间的表面气流相互对流,需要在上、下表面的翼形分隔线处均设置翼刀等气流隔离结构。为减小翼刀对隐身的不利影响,可将翼刀的竖立角度调整为一定斜角,且隔离效果可能更好。

这种设计的不利方面,会减小机翼的总体升力,从而减小前掠翼的升力优势;但前掠翼的升力中心靠近翼根,翼尖区域形成的升力贡献较小,主要是起到一个使气流流向翼根的导流作用,只要合理控制负升力参数,加之还可对尾流板的抬升增效作用进行最大化运用,是可达到最佳效果的。尽管,也可采如用弱升力体机翼结构、缩短翼尖长度等其他弱化升力方式,但较之效果差远。

(3)内前缘采用锯齿设计和上翼面巧妙利用翼刀,可进一步提升机冀的超音速性能

在内冀段的前缘(即内前缘)采用锯齿设计。通过锯齿的齿尖前突,在不改变机翼结构的(角度)前提下,可增大前缘的前掠角度,从而改善超音速飞行性能,提高最大飞行速度,案例如瑞典JAS-39战机采用的单锯齿前缘设计。本设计中,通过单锯齿或双锯齿设计可使前掠角度提高3-5度,这对前掠翼型来说十分难得。可以说,没有了后掠翼型上存在的翼尖失速和升力损失影响,锯齿设计更像是为前掠翼而存在。

另外,我们知道,气流从内前缘流经冀上表面时,会沿前缘曲面向前掠翼翼根的前窝处聚集,使该区域的上表面气压升高。或者说,与后掠翼相反,前掠翼上表面的气压分布呈距离机体越远则越小的特征,使得越靠近翼尖升力越得以增强。这一现象加强了气动发散的诱因。因此,综合上述前缘锯齿的分界点,在上翼面补充布置一条翼刀(如图1中所示),用于阻挡前缘气流流向翼根,使上表面内侧区域的气压减小,而外侧区域增大,虽然总体升力无会变化,但优化了机翼的升力分布,消弱了气动发散诱因的程度。为加强隐身,翼刀可采用前述正负升力结构分界线设计或其它型式。

上述种种措施,在延缓气动发散问题出现的同时,也充分改善前掠翼的高速性能。

Su47为了确保机翼的结构强度,延迟气动发散问题的出现,机翼的前掠角度仅20度,最大试验速度只有M1.6。本设计中由于M型机翼和负升力外翼的效用,将前掠角度增至25度,采用双锯齿前缘设计的局部段角度可达30度,将可有效提高最大飞行速度极限(使达到M1.8~2.0)。当然,这只是一个估算参数,具体的最大允许前掠角度和最优尺寸等参数,需要通过专业的试验、计算才能获得。

3、“1台大推+2台小推“的新组合式动力选择

我们的舰载机,必须要着重考虑到在大洋中独自面对F35、F22等各型战机全面挑战的战场需求;因此,必然要有较大的机体尺寸,以容纳更多的设备空间。J31过小的机体,导致性能参数弱、弹舱尺寸小等,加之机动性能的相对中庸,不能应对F22之战,是其舰载之路的最大弱点之一。

而J31的小机体,其实是受到动力的限制而难以改善。我们的两台中推推力合起来比不过一台F35所用的F135发动机的推力,这是设计面临的硬伤。如若改用其它动力增推,J31将面临全部重新设计机体结构和气动试验的情形。

考虑到我们的动力现状,双中推、单WS15大推的推力均过小,双WS15大推又面临WS15的成熟速度和产能限制(WS15将来必然要首先满足J20的产能需求),而双WS10的技术性能也不匹配新一代战机的总体要求。因此,在本设计中,参考雅克141战斗机 采用的“1台主动力+2台辅动力”的组合动力模式,我们以1台WS15为主动力(前期可采用WS10),以两台已能国产化的AL-222K-25发动机为辅助动力,布置在WS15的两侧,三机之间采用部分结构共用设计,均水平推进,从而获得不弱于F135发动机的总推力。雅克141战斗机的辅动力(RD-41升力发动机)与主动力(R79矢量发动机)的部分部件进行了共用设计,因而大大减少了RD-41发动机的重量,最大加力推力约41KN,重量据信仅约290kg。而AL-222K-25发动机的质量440kg,最大推力25KN,对其结构共用改型,应是可以实现的事。

在该组合中,两台辅推安装矢量喷管(主推上不安装),从而提供更灵活的矢量功能,而且小推的矢喷技术难度、维护成本等也相对更低。

这种新的动力组合形式,虽然会带来设计复杂、需提供两种发动机维护工作量的问题;但新的效果和优势也很明显。一是减小了对WS15的产能负荷,却仍能提供大的动力;二是在平常的巡航中,主推或辅推均可单独运行,油耗减小,从而增加航程航时,而双推就没有这种优势(采用单台发动机推进时飞机会产生一个偏航力导致无法正常飞行,采用两台启动却又都有一个最低油耗要求);三是主推和辅推在安全性上互为备份,充分满足了对舰载机的安全裕度要求。

在上述动力形式中,考虑到WS15尚未成熟,可先采用WS10代替,并简化设计(在部件共用方面),从而为尽快装备提供时间保障,后期再整体更换动力包。

4、新式尾流板设计

相较于Su47、X29分别采用的平尾舵、条形尾流板形式,本设计中采用改进的条形尾流板的无尾布局形式(如图1中所示)。其中要点有:一是将外边设计为5-10度角度斜边(向后逐渐增宽),以充分挥发尾流板的增升作用;二是对其末端作30度左右的斜切处理,并在斜边上布置尾缘襟翼,显著改善某些性能(包括:单侧上下偏转时与垂尾、腹鳍配合,可增强方向舵效,进一步优化垂尾面积;双侧同时向下偏转时,可增强机翼下方的气压域,从而改善低速性能,有利于飞机降落控制)。 ?一种新型前掠翼“海四代”舰载机的方案

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      2017/12/17 23:15:38

      网友回复

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      原创 爱思考 为我们国提建议:赞一个!!!

      个人觉得飞机设计首要是要符合美学,看上去就有别扭的感觉一定不可行。

      我认为飞机外形的发展必然向隐形,高速,低阻力,高操控能力方向发展。

      现阶段可行的方案也许是从鸭式布局上下手,再增加一对鸭翼 减少主翼外展尺寸 减少尾翼尺寸等,难点主要是在有矢量发动机情况下两对鸭翼的相互作用时飞控的处理。没有风洞试验数据支撑,只是我的一点看法。

      鼓励多提建议,我认为现在的铁血您这样的人太少,大部分都在聊天 互掐 抬杠,为国防建设能提供一丁点帮助才是铁血的重要目的之一。

      2017/12/20 19:19:16
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      回复:一种新型前掠翼“海四代”舰载机的方案三台发动机?回复:一种新型前掠翼“海四代”舰载机的方案

      2017/12/20 18:39:18
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      老毛子当年不是搞过这个么?叫啥来着?金雕是吧?

      2017/12/20 16:15:55
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      自然是最好的老师,凡是天上飞的,水里游的,没有前掠的。几亿年的自然进化规律不会骗人的。

      2017/12/20 11:08:43
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      金雕笑而不语

      2017/12/20 10:53:41
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      负升力翼尖的关键是"小力值、大力矩",2楼担心翼尖受损的实质是翼梁抗弯问题,这是现代化飞机设计的基本要求,担忧过度而已。

      2017/12/18 23:46:21
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      我觉得你这方案行不通。不说别的,就说这翼尖受力的问题你这解决方法就不行,按你这方法,翼尖倒是不上翘了,可是受力方向向下,如果速度快容易损伤机翼,之所以没有前掠翼飞机就是因为解决不了这个问题。

      该帖子发自铁血军事Android手机客户端[请参与手机体验]
      2017/12/18 11:03:27

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