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中国三翼面战斗机首次官方曝光!梦幻设计
日期:2017-10-12 15:10:29

  原创 加特林 2017-10-11 16:18

  近日,中国一种极为特殊的隐身高机动战斗机设计方案,首次公开曝光!

  这一中国自主的战斗机方案,有着非常罕见的整体设计:它有着典型的先进三翼面布局,而且具备隐身特征。

  它到底是何方神圣?有什么优缺点?

  这种三翼面隐身战斗机设计,出现在中航工业的公开宣传之中(下图)。


  目前,成飞研制的鸭式布局隐身先进战斗机歼-20,已大批量装备服役,是不可逆转的事实。但了解当年与其竞争的对手,仍有着极大的实际意义。

  对中国歼20战斗机研发过程有深入了解的读者们恐怕早已知道,这一三翼面战斗机设计,就是在中国空军第一种第四代战斗机竞标之中,与成飞歼-20方案直接竞争的沈阳方面方案。最终胜出的,我们都已经知道是成飞的歼-20鸭式双翼面隐身设计方案 —— 为了方便描述,下文将成飞方案直接称呼为“歼-20”。

  沈阳方面的这一三翼面隐身战斗机设计,有什么优点?又有什么缺点?为什么它输掉了这场决定中国未来主力战斗机的关键性竞争呢?

  首先,我们要确立一个观念:第四代战斗机的气动设计主要目标之一是,在不严重影响隐身能力的前提下,尽可能改善升力特性,提高大迎角机动性,减小起飞降落距离,要实现这些目标,需要大幅度改善战斗机的升力特性。成飞歼-20的鸭式布局也好,沈阳方面的三翼面也好,都需要实现这一目标。

  喷气式战斗机的三翼面布局,是相对较为新颖的战斗机气动设计总体布局之一。较为知名的这一布局的现代战斗机设计,包括苏联米格-21战斗机改进的E-6T3和E-8验证机(下图)。虽然它们依然停留在第二代喷气机的气动设计水平,但机动性比米格-21要有所改善,这主要归功于即便是当时相对简单的三翼面设计,能够实现直接力控制,令驾驶操作更为精确而有效。

  后来的俄罗斯苏-30MKI、苏-33、苏-34、苏-47虽然采用了前翼,但与第四代隐身战斗机的三翼面设计相比,局限较大,所以这里我们只着重于第四代隐身战斗机的三翼面设计。

  美国实际上早已测试过三翼面布局,但并未实用化。参与ATF战斗机竞标的厂家也没有人提出三翼面布局,最终获胜的恰恰是采用相对常规的布局的洛马公司。JSF F-35项目干脆就是一个缩小版F-22获胜。从上述几点也可以看出,美国各方不太看好三翼面这一布局。

  大致上三翼面布局,是在传统布局基础上,增加一对鸭翼,组成了鸭翼-主翼-尾翼的布局,所以叫做“三翼面”。虽然成飞歼-20鸭式布局、沈阳方面三翼面布局外观大不相同,但是两种设计的前翼的目的一样,就是升力特性更好、大迎角机动更好,这样在战斗机典型作战速度范围“跨音速”和“超音速”范围内有更好的机动性。

  三翼面布局的优点在于:

  前翼产生的涡流对主翼产生了有利的额外升力,提高了飞机升力特性。通过综合考虑前翼、主翼前缘、主翼边条、各个翼面攻角与后掠角、主翼前缘尖锐程度等条件,就能设计出产生较强的有利涡流的三翼面设计。不过要注意的是,这一优点与鸭式布局没有多大区别。

  前翼与平尾配合,令战斗机的纵向配平更为优化。而歼-20鸭式或者传统布局的战斗机的平尾在改变飞机飞行状态时,往往产生战斗机整体升力变低、整体阻力变大的情况。

  三翼面比起歼-20鸭式布局,理论上实现直接升力控制比较简单,能够更准确、更快捷的控制飞行动作。

  三翼面布局因为空气控制面多,所以大机动时,每个翼面承受的载荷比歼-20等要低一些,这样降低了结构上的设计难度。

  综合各个方面的有利因素,三翼面布局有望令整体升力系数大为改善,在公角15到35度范围内特别明显。与无前翼的传统布局比较,最大升力系数能提高一成。

  但是,三翼面布局的缺点,与歼-20鸭式布局相比也非常明显:

  因为增加了鸭翼,保留了水平尾翼,整体阻力与重量增大,抵消了一部分三翼面带来的优势。

  三翼面导致隐身能力必然不如歼-20鸭式布局或者传统布局。

  隐身先进战斗机为了实现高机动,飞控电传操纵系统本身已经非常复杂。采用三翼面,令难度又增大了很多,这不仅仅是增加一个鸭翼的问题,还涉及鸭翼、主翼、尾翼三者相互影响的问题,比歼-20的鸭式布局更为复杂。举例而言,三翼面战斗机的空气动力焦点明显前移,于是导致这样的战斗机的纵向静安定性变差,战斗机明显的趋向于易于抬头,不得不付出额外的代价平衡这一抬头力矩。

  前翼存在洗流和阻滞作用,抵消了一部分各个翼面翼气动载荷分布优化的优势,于是理论上结构设计的简化,常常变得只存在于理论范围之中。前翼还令主翼的载荷变得更加的不均匀,主翼部分位置受力更大,例如根部扭转力矩极大,这又抵消了一部分结构设计简化的优势。

  三翼面布局令主翼不得不变小一些,无法像歼-20鸭式布局那样获得巨大的翼面总面积,导致对机动性产生极大影响的单位翼载荷变得不理想。

  三翼面战斗机长度会明显增大,对重量、机动性和地面维护维修都产生不利影响,几乎没有办法缩短,这里要指出歼-20机体已经很长,沈阳方面的三翼面设计会更长。

  三翼面布局存在的最大问题是,其机动性能与鸭式飞机相比无明显优势,而且不具备鸭式布局缩短机身和降低结构重量的特点。综合各方面因素对比三翼面布局和鸭式与常规布局的整体条件,可以认为三翼面隐身战斗机虽然在理论上可以获得比较好的机动性能,但是在整体设计指标和隐身能力方面不如鸭式与常规布局。

  我们不难看出,上面提及的一部分三翼面的缺点,其实是歼-20鸭式布局也无法避免的。

  但是,最关键性的问题在于,沈阳方面的三翼面隐身先进战斗机在更为复杂的情况下,却没有比我们现在看到的歼-20鸭式布局有明显的优势。假如没有太大区别,自然也就没有谁会想要选择一个更为复杂、更有技术难度的设计方案。

  三翼面的复杂还带来一个致命的缺点 —— 设计这样的战斗机的单位,必须有超强的先进战斗机气动设计与飞行控制能力,否则根本对付不了实际设计中世界级的技术挑战。不难看出,成飞通过歼-10、JF-17“枭龙”两种自行完成气动与飞控设计的战斗机,积累了真正成功的实际经验,打造了经过锤炼的研发团队。而沈阳方面并没有走过第三代战斗机气动飞控设计的全过程,一步跳到四代机,还选择的是极为复杂的三翼面布局,面对的挑战可想而知。
  
沈阳三翼面战斗机想象图

  为什么在基础较为薄弱的情况下,还要选择困难的三翼面布局呢?一种猜测是(仅仅是猜测),因为中国空军提出的四代机指标要求很高,一家实力较弱的研制机构无法通过较为常规的布局研发出如此先进的战斗机,于是不得不选择更为困难、但有希望满足至少一部分目标的三翼面布局。这听起来不太符合逻辑,但实际上美国F-15、F-22研发时都有这样的现象,真正赢得最后胜利的研发厂家因为实力雄厚,采用了较为简单的总体布局就已经满足了美国空军的需求。而实力较弱的厂家则趋向于选择更复杂的布局,试图在处于劣势的情况下拿下若干局部的优势,让自己的赢面变大一些。

  在中国空军四代机竞标一役之后,成飞与沈阳方面实际上已经分出了高下。但是,中国这个大国的战机装备,不可能都由一家包办,沈阳方面依然承担着极大战略、战术价值的重大任务。希望在中国军工体系中,不论是哪一家企业与机构,都能以打造最强的武器装备为首要出发点,为中国军事建设贡献最大的力量!


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