[原创]一种三军通用型优秀隐身战斗机的设计

前言

本人在《一种半三体结构航母的完善设计》的附文中曾描绘了一种三军通用五代战斗平台机的设想,现对其进行细节设计,以供相关参考研究和飨读者讨论。

随着J20的入列,与J20搭配使用的第二种隐身战斗机将迅速提上中国军队的日程。目前围绕J31是否合适的辨论很多,其主要争论点在J31的性能较F35不具备什么优势,如动力弱、机体小、航程短等,以及海军舰载机是否需要中型机等方面。

一、我们需要什么样的搭配战机

J20的定位是中国新式战斗体系中的揣门机、尖刀队和杀手锏,必然要以追求最强性能为目的,体现的是最昂贵的尖端技术,所以数量不可能太多,国力、后勤等也难以支持。而面对对手庞大的F22、F35及其它五代机的数量,必须还要一个“搭档”来辅助J20的使用,以在体系中发挥补充防卫、常规护航、前锋战斗、小范围应战等配合性作用,我们的对手除了美国,还有很多正待列装F35等五代机的周边小国;而这一辅助角色,既要能压制住F35,又要能与F22、FAK50等具有一定的对战能力。

许多人认为J10、J11的作战力量,在国土空情体系的支持下可以对付来犯的隐身机队。其实,这是并未深入了解到第五代战机的可怕实力;即使如所说的能够对付,也必然要付出巨大的代价,这对我国好不容易才发展起来的第四代战机队伍来说,是得不偿失的;而且,我们的征途应是前出国门之外,在大洋之中,在他国上空,与对手来对撕。J10、J11更应该用来与对手中的同代战机周旋,以避免对手可能用第四代战机来消耗我们数量不多的第五代战机;或者作为我们在第五代战机消耗殆尽时的最后拼战底牌。

我们究竟需要什么样的第五代“搭档”战机--在此仅探讨有人战机?现实已很明朗,J31的小机体、弱动力和气动上的一味模仿,实现不了对F35的优势,是故空军才有迟迟不肯表态。J20的成功给我们的一个重要启示就是,虽然动力暂时无法赶上,但通过更先进的气动设计和后发优势,使战机的总体性能得以获得平衡。因此,气动先进是我们的“搭档”战机的一个必然需求;没有这方面的改进,J31就很难以让空军和海军满意。

二、F35对我们的借鉴意义

F35是由同一机体基础分别衍生出陆基型、舰载型、垂直起降型等多个型号的家族式作战飞机,名义上虽只定义为攻击机,其实亦具备很强的空战能力。其通用化设计,达到了简化设计工作、简化后勤维护、优化制造成本等诸多目的。其获得的巨大成功,也为今后的军机装备发展提供了一种先进模式。

而我们与J20搭配的战机,同样将有着巨大的数量需求。我们应对周边国家的挑战多,未来他们装备第五代战斗机的数量很大;而且,眼下不仅我们的空军需要这一款战斗机,我们的航母上也更急迫的需要新一代隐身舰载机;长远考虑,我们还需拥有垂直起降型,以满足于我们的两舾舰队、岛型基地的配置和部署。加之外销前景,总数是极可观的。

因此,合理借鉴F35的发展思路,我们有必要也应该研制一型中国版的五代战斗机通用平台,以在满足我们国防需求的同时,还可较好地节省研发投入、减小后勤工作、节约生产成本。

三、中国版“五代战斗机通用平台”的设计

设计的前提,必须要考虑到我们现有的设计能力、独特优势、基础不足及时间需求等方面的因素。

在此,经综合比选分析,利用有限经验,设计一了一种鸭式布局的前掠翼战机平台,并通过一些特殊设计,解决了前掠翼的缺陷,较好地满足了各项需求和综合性能的要求。具体设计说明如下:

1、基本型的设计(空军战斗型):

1.1总体气动设计

总体采用鸭式布局,主翼采用前掠翼型。

鸭式布局的优点体现在机动性强、高速性好、高升力结构--减少了对动力的要求等方面, 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。

前掠翼的优势总体包括结构、机动、起降、可控等四大方面。例如前掠翼结构可以保障机翼与机身之间更好地连接,大大提高机动时的气动性能、增大飞机内部容积、提高隐身性等;又如与相同翼面积的后掠翼飞机相比,前掠翼的升力增大,载重量增加30%,从而又可缩减机翼面积,降低飞机的迎面阻力和结构重量,增加航程,改善低速操纵性能,缩短起飞着陆滑跑距离等。前掠翼在所有飞行状态下的飞行可控性十分优秀,失速速度低,仰角机动性好,其优异的亚音速气动性能,若配合推力矢量,无疑将是各种翼型中的格斗之王,而这些优势用其它方法很难达到或者不可能达到。

因此,若能成功将鸭式布局与前掠式主机翼结合起来,无疑将形成极佳的综合优势,尤其能够满足对亚/跨/超音速的全飞行包线上气动性能的最佳融合;从而对F35,甚至F22这一类空优机,形成天然优势。这对我们在动力等方面与对手尚有差距的情况下,是一个非常优秀和适宜的机型布局。如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形式。

当然,前掠翼同样也有明显的缺点,且一直难以回避和解决。主要有两方面,一是超音速性阻力大。飞机超音速阻力主要来自激波阻力,对于正常布局的飞机来说,飞机前部激波只发生于机头和座舱;而对前掠翼来说,两个翼尖也有很强的激波,阻力大幅度增加。二是机翼应力过强,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。

如Su47验证机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,只有切实克服了前掠翼的这两项缺陷,上述“鸭式布局+前掠主翼”的设计才能具备可实现性。而1.2节中提出的设计优化措施,对其缺陷进行了有效解决。

1.2前掠翼缺陷的解决方案

总体思路: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,以消减气动弹性发散问题;并采用齿形前缘设计,以优化机翼前窝的气动阻力。具体说明如下:

(1)采用外边斜切的M型前掠翼,将可优化激波的产生和机翼结构的受力

前掠翼飞机一般呈“V”形状(见图1),其翼梢的激波阻力较大;而且从受力分析可知,这种设计中的两侧机翼,若出现机翼内部的受拉件结构疲劳或断裂故障问题,整个机翼会直接被巨大风阻力量从机翼前窝处撕脱。

本设计中采用“M”形状机翼(见图2),较好地解决了V”形状机翼所带来的问题。首先,由于外侧斜切,翼前梢尖变得尖锐,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,通过对风阻受力分析,其外侧段(i段)前缘的水平分力是指向内侧的,与内侧段(ii段)的向外的水平分力正好部分相抵,从而减轻了前掠翼内的受拉结构件的受力,从而增强了机翼抗风阻能力,也使减少受拉结构件的设计重量。

一种三军通用型优秀隐身战斗机的设计一种三军通用型优秀隐身战斗机的设计一种三军通用型优秀隐身战斗机的设计

图1 图2 图3

(2)外侧段采用负升力设计,将弱化气动弹性发散现象

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,前掠翼面沿结构曲线方向的弯曲变形会使外翼沿气流方向增大迎角,增加外翼部分升力,进一步增加机翼的弯曲变形。其解决办法一是加大机翼强度,但是会付出重量和成本代价,最终导致前掠翼的优势被自身重量代价吃掉;而且,因为气动弹性发散问题随着飞行速度的增大而非线性增强,若需进一步提高最大速度,其结构强度也需相应加强,导致设计难以控制,不能从根本上解决问题,也有悖于飞行器的设计理念。另一个解决办法是减小前掠角度,虽可减轻气动发散问题,但又将影响超音速飞行性能。

因此,我们不妨另辟稀径,采用适度削弱翼尖升力的方式,以延缓翼尖振荡的出现。经过多方面对比,本设计采用了在机翼外侧段采用负升力设计的相对最佳方式。负升力设计使翼尖外侧部位形成垂直向下的作用力,即对翼尖的上翘形成一个反向按压,避免因上翘过度引起振荡问题的出现,从而保持翼面的稳定;而且随着飞行速度的增加,负升力与正升力均同步增强,这种对消能够始终保持均衡,从而即使进入超音速区域,或提高最大设计飞行速度,均能较好地满足需求。

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图4 图5

如图4中所示,在外侧段(i段)采用负升力设计翼面,即将常规的升力剖面倒置设计;而内侧段(ii段)仍采用正常的升力剖面形状。当然,为了避免两种不同剖面的气流相互对流削弱,需要在两剖面间增设翼刀等气流隔离结构。为了减小翼刀对隐身的不利影响,可将翼刀从竖立调整为一定斜角布置。

(3)前缘锯齿设计,可以改善外翼气流流动状况及前掠翼的超音速阻力

前掠翼指向翼根的展向流动特点,以及边条翼的翼外气流的流动,均指向了前掠翼与边条翼的交汇点(翼根前窝),气流的交汇导致阻力大增,超音速性能变差。加之在前掠翼的受风阻力中,前窝点成为机翼可能撕裂的集中应力点。

本设计中对机翼前缘采用锯齿形设计,除使扰乱展向流动外,也分流了前掠翼的受力方向,从而即改善了超音速性能,也改善了前掠翼的受力。锯齿形前缘是一项较成熟的技术,在此不再详述。

至于边条翼的展向气流影响,可在边条翼中后段与机体上表面的结合部位,设计一组辅助进气道,以吸纳附近经过的气流,并用于发动机的内部受热部件及喷口等的冷却,从而不仅改善了边条翼的失速特性,还提高了发动机的性能状况和降低发动机的红外特征等。

1.3独特的垂尾设计

考虑隐身需求,五代机基本采用双倾斜垂尾,包括F35之类的单发机也是。而在本设计中,拟采用“全动式单垂尾”+“尾副翼与腹鳍的偏航组合”的形式,达到隐身和操控的平衡。具体说明如下:

首先,在单发战机上布置双垂尾,存在间距过小的问题,若采用常规的非全动式垂尾—如F35垂尾,则不仅重量较大,飞行阻力也大;若采用全动式垂尾—如J20垂尾,则两个垂尾间过小的间距难以满足偏转操作空间。而全动式单垂尾,除了无上述弊端外,重量和飞行阻力也均趋于最小化,这对于我们暂还不具备优秀动力的情况下,是一个非常合宜的选择。至于单垂尾的隐身问题,将在后述处理。

另外,参照J20的设计,在机尾下方布置两片带外倾角的固定式双腹鳍;并在两侧尾流板的末端,如图2所示,进行斜切处理,并沿斜边布置可偏转的尾副翼,类似于B2轰炸机的飞翼“方向舵”。当某侧尾副翼向下偏转时,与腹鳍一起对翼下气流形成“夹挤”,利用气流反作用产生偏航力矩,从而起到方向舵的功能。这一舵面效率要高于相同面积下的单纯方向舵,若与全动式单垂尾结合使用,可起到较高的效能;而这一设计也正是充分利用了尾流板的特殊形状和气流条件。

至于单垂尾带来的隐身问题,一是全动式垂尾的面积大幅减小,加之尾副翼的“方向舵”增效可使垂尾的面积再进一步优化,从而尽可能的缩小垂尾的反射面积;二是由于尾翼板的宽度尺寸较小,加之其尾缘的前倾斜边与垂尾前缘的后倾斜边正好形成交错的投影布置,使得二者之间可形成直角反射的区域面积仅占极少部分。若再采以复合材料、透波材料等措施进一步处理,可使该问题得到一个相对理想的解决。

1.4动力的选择

F22、J20的大机体设计虽然也能够带来大航程、大载弹量、配置更多电子设备及布置更大尺寸雷达的优势,但采用双发四代大推,受成本增加、发动机产能有限等因素制约,不利于大量装备。J31则因较小的机体,其宝贵的内部空间要分配给两台较大尺寸的双发动机、内置弹舱和其它机载设备后,必然导致弹舱尺寸小、载油航程少等不利影响;也反过来迫使机体增大横向尺寸,导致飞行阻力增大、最大速度低,这均是J31令人诟病的原因之一;毕竟非隐身机可将武器挂于机体外表,即使中型机体也能保证一定的载油空间和机动性能。F35的最大重量达30余吨,设计空间大,且减少了一台发动机的布置空间和其制造、维护成本,大大有利于性能与价格之间的取舍平衡,并在强大动力的支撑下,较好地满足了设计需求。因此,采用单台四代大推和较大机体,是“搭档”的隐形战机的最理想动力布置方式。

动力设计采用1台WS15发动机。尽管我们最好的WS15发动机,在最大推力等方面虽较F-35上的F119仍有所逊色;但通过机体重量的合理控制,加之“鸭翼+前掠翼”的气动增益,仍可使其在机动、航程、最大速度等方面的性能满足目标需要;而且在未来对WS15的不断改进下,足可担负起其责任。

当然,考虑到WS15仍存在的研制风险,我们还有两个动力备选可用:一是双发WS13增推型,二是双发WS10完善型。根据相关报道,WS13增推型已大致研制完成,但仍达不到10级推比的4代中推性能,且非国家重点支撑项目,可作为第一备选动力。WS10虽已可用,但综合性能一直不是很理想,且挖掘潜力有限,可作为第二备选动力。当然二者都涉及机体需要重新设计,且无法在其基础上开发后面所述的垂直起降型。

基本参数为:机长约16.5m,翼展约11.7m,前掠角度25度。

2、舰载型设计(动力加强型)

前掠翼飞机具有良好的低速性能,对起降跑道的要求较低,非常适合于舰载操作。

另外,我们的舰载机,必需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必然势态;因此必然要具备较强大的单机性能,其机体要较基本型进一步增大--以容纳更多的设备空间,动力也要进一步增强--以适应增大的机体和重量。J31不能应对F22之战,是其舰载型之路的最大弱点。

因此,舰载型的动力选择,在尽可能继承基本型的气动成果、基本结构和动力基础的前提下,不能简单按照F35的思路。联想到雅克141战斗机 采用的“1台主动力+2台辅动力”的组合动力模式,其中辅动力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,因此大大减少了RD-41发动机的重量。据信RD-41发动机只有约290kg重量,最大推力则约有41KN。

在本设计中,我们参考上述的动力设计思路,即以1台WS15发动机为主动力,以两台中国版RD-41升力发动机的水平推力改型为辅助动力,从而获得不弱于F135发动机的总推力,以满足重型化的需求。而WS15发动机的原型机据信即为引进的R-79-300发动机。

辅动力发动机采用矢量设计,由于需与WS15组合设计而靠前布置,其喷口将正好处于机身中段附近。通过这一独特布置(即辅动力发动机的矢量作用点正好在机体中心点附近)的矢量作用,可使飞机在保持平飞状态不变的状态下,使飞机完成上、下、左、右方向的平行变轨,从而具备极大的机动躲避价值。即:不需飞机作调头、斜飞、调正等一系列的组合动作,即可做到规避导弹攻击、敌机锁定,和对敌机的反追锁定,且没有常规规避动作时的能量损失。鸭式布局的飞机也具备水平状态中的上、下机动能力,但属于依赖“主翼+鸭翼”气动实现,受气动效率影响较大,高速躲避时尤甚。另外,这种矢控价值,还可体现在着舰失利后的顺利复飞的条件改善上,即在复飞时,辅动力向下喷射以增加升力,可减少因复飞升力不足造成的坠机概率。

3、垂直型设计

垂直起降型可直接参照雅克141战斗机的动力组成形式,但前提要求完成WS15的大角度矢量技术,以及中国版RD-41升力发动机的成功研制。在此不再多述。

三、主要难题和性能展望

1、主要难题

(1)我国对前掠翼的研究较少,美俄均有过验证机详细研究。当然,在借鉴的基础上,我们也可以少走很多弯路;但对M型机翼、反升力设计、齿型前缘的设计均需强细致研究。时间对我们很紧迫,但也是一种巨大动力。

(2)可靠的动力,尤其是升力发动机,短期来说对我们仍是一种等待。但我们可以利用J20的技术积累和WS15的研发,首先发展基本型(空军型),以达到尽快成军、打下基础的目的。而舰载机目前有J15在先期发展和支撑,还有一定的时间缓冲。

2、性能展望

本设计中,为了达到综合性能巨大飞越的目的,而采用“鸭翼+前掠主翼”方案;并通过M型机翼、反升力设计、齿型前缘的设计等一系列的措施,解决了前掠翼的缺陷;同时,通过动力的不同组合,实现了空军型(中型机)和舰载型(重型)的不同需求。

尽管这里只是提供一些设想、一个初稿;但在理论上均是可行的,且在实际不同方案的对比中,也是最优秀和最合理的方案。总之,我们也只有用已之长,克敌之短,才能不断消弱美帝长期积累建立起来的牢固的、全面领先的地位,逐步扭转我们的劣势。

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