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歼-20机动性之谜


日期:2018-12-10 08:45:53|2018-12-10 08:45:53

  蜀中行讲武堂 2018-12-09 20:33

  大家对歼-20的气动设计的评论最多也就是这么多可动翼面,机动性可靠么?过去西方的断言主要围绕歼-20“太大”而不能展开机动性,只能远程轰炸,空战机动性差。不过在确定飞机的运动学性能时,仅凭视觉估计是多么不可靠。


  有经验丰富的航空航天工程师利用风洞和有代表性的飞机模型,就可以作出更合理的估计。幸运的是,多亏了宋文骢院士,歼-20的空气动力学结构才有了这样的研究结果。

  中国歼-20隐形战机在近九年前亮相时,人们对其是否具有超强的机动性充满了猜测。当时许多西方专家认为歼-20机动性不行,许多评论最初认为歼-20的长长的机身和它的空气动力配置使它不适合空战机动。然而,现代复杂战斗机的空气动力学性能不能简单地目测。

  
把涡流用到了极致


  结果今年歼-20战机在航展上多次亮相,展示超强的机动性,动作轻盈,尤其是垂直爬升和垂直俯冲,与J-20相关的高层人士也透露了更多信息。尤其首次展示了完美涡流,显示气动性完美。人称暴力美学。歼-20的鸭翼和边条翼是重要的涡流发生器。从原理上讲,歼20前面的一对鸭翼翼尖会产生涡流,不禁要赞叹歼20的设计者们,把涡流用到了极致。为了摸清楚这些涡流的规律,歼20的设计者们肯定做了很多艰苦的工作。

  为什么要关心五代机的机动性呢?

  第五代战斗机的机动性,如F-22和苏-57在许多飞行性能优于过去的第四代飞机。F-35从一开始就被设计为多用途攻击战斗机,结果经常被批评不够灵活,人送外号“肥电”;然而,近年来,就连F-35也在巴黎航展上展示了超强的机动性,逐渐被认为是可与过去第四代战斗机竞争,尤其是在类似的战斗和燃料载荷下。

  换句话说,对于任何想要对抗对手的战斗机来说,灵活的机动性都是很重要的,即使机动性是五代机的次要角色。对于未来的第五代机和第五代空战可能会是什么样子,几乎没有明确的定义,任何空军忽视这种对抗中的机动性都是鲁莽的。虽然未来隐身和超视距打击将成为主流,但最进一步提升战斗机的机动性仍然重要。

  亚跨声速升阻比和超声速阻力是一对传统的设计矛盾,近代先进战斗机采用放宽纵向静稳定度和机翼变弯装置成功地解决了这一矛盾。

  宋文骢院士是单座歼-10飞机的首席设计师,也是JF-17和J-20的首席设计师杨伟的导师。2001年,宋文骢发表了一篇名为《一种小展弦比高升力飞机的气动布局研究》的论文,研究了未来战斗机的构型,旨在解决隐身、高机动性、超巡航、跨音速性能和高攻角性能之间的设计冲突。

  这篇论文已经成为西方研究歼-20机动性之谜的经典教材。

  西方专家才发现,原来歼-20的气动设计是多么高超和不可思议。

  
风洞对比


  该方案采用升力体边条翼+鸭翼结构,它在横向和纵向上都是不稳定的。该方案采用后掠角中等的小展弦比机翼,较大的二面体鸭翼,均为远小于传统战斗机的可动垂尾,以及s形的腹部进气口。根据美军专家的评估,歼-20飞机将具有优良的超音速阻力特性、AOA升力特性、高攻角稳定性和可控性以及优良的隐身特性。

  不用说,这种配置几乎完美地反映了歼-20的空气动力学特征和整体设计。考虑到宋文骢过去在成都航空航天公司的领导地位,以及他与杨伟的合作,宋文骢的研究极有可能成为后来歼-20的基础。因此,歼-20的空气动力学设计应该来自宋的这篇论文,也可以看作是他人生的杰作。

  当初有人认为歼-20缺乏灵活性是因为动力不足,因为歼-20目前使用的是AL-31F发动机的衍生物,相对于这个重量级别的五代飞机来说,AL-31F发动机的动力相对不足。然而,即使使用“动力不足”的发动机歼-20的设计也不是那么简单。

  只有少数国家能够独立生产高性能涡扇发动机,涡扇发动机仍然是一个相对中国航空工业的瓶颈,虽然近年来取得了进步和里程碑——比如成功的大规模生产WS-10系列发动机——这是不可否认的。中国发动机落后于航空航天行业的其他领域如航空电子设备、气动设计、武器系统和系统集成。

  歼-20是一种类似于F-22和Su-57的重量级的飞机。因此,要释放歼-20的全部潜力,就需要预定的WS-15发动机。WS-15发动机的性能与F-22的F119发动机类似。相比之下,AL-31和WS-10系列是F100和F110发动机的同类产品,这些发动机为各种F-15和F-16变种提供动力。WS-15目前处于高级开发阶段,但距离大规模生产仍有几年的时间,更不用说WS-15与歼-20的飞行测试。不过在航展新闻发布会上,杨伟已经暗示,WS-15已经装上歼-20成功测试。

  当WS-15与歼-20集成时,它将解锁飞机的真正运动学能力。即使歼-20目前是在用AL-31F或者WS-10过渡,也必须考虑到它的空气动力学设计,它的整体战斗角色必须考虑到它的隐身、传感器融合、数据链和武器。综合这些因素,歼-20仍将轻松成为中国空军中最具能力的空中优势战斗机,并令人信服地与世界其他第五代战斗机竞争。

  中国航空工业集团公司在航展上提供的信息手册简要介绍了歼-20。最后一句说:“主要的作战任务包括:夺取和维护空中优势、中远程快速拦截、护航和深度打击。”这句话的解释与歼-20与专家的推测断言是一致的。毕竟,一架设计具有空中优势特征的飞机能够制造出令人尊敬的拦截机或攻击机,但一架设计用于专门拦截或打击的飞机很少能制造出灵活的空中优势战斗机。

  在珠海的一次采访中,歼-20的首席试飞员李刚和首席设计师杨伟透露了关于飞机预期性能的更多细节。正如之前报道的那样,杨伟强烈暗示,一种带有推力矢量控制的发动机已经开始在歼-20上测试,这表明成飞有兴趣进一步增强飞机的机动性,并强调了机动性对飞机的重要性。此外,试飞员李刚直接指出歼-20的操纵和机动性与歼-10相似。这可能是迄今为止关于歼-20机动性能最重要的证明。当然,李刚并没有具体说明这两架飞机在哪种飞行状态、速度或载荷上表现“类似”。但我们有理由认为,该声明是为了反映两架飞机在机动性相关的战斗场景。对于歼-10,这可能是装载空对空导弹并且不带外部燃料箱,对于歼-20来说,这可能代表一种“隐身”配置,只携带内部空对空导弹和内油作战。

  明显能感到跨代优势

  在2017年建军90周年阅兵式上,对歼-20飞行员进行了一次令人难忘的采访,这让人想起歼-20已经相当灵活。一名飞行员表示,歼-20的整体机动性“非常强大”,亚音速机动性被形容为“相当好”,超音速机动性被形容为“惊人”。这可能表明飞机被设计强调在超音速状态下的高机动性,这将与WS-15提供动力时最终的超级巡航能力相一致。目前还不清楚歼-20是否有能力进行超级巡航。

  从总体证据来看,宋文骢的论文、中航工业的歼-20宣传册以及过去几年的飞行员采访都有力地表明,歼-20是一种具有普遍空中优势、能够与世界先进五代机相当的飞机。当然,歼-20的真实性能是保密的,然而在公开和非机密的辩论中,歼-20的机动性和作用将会对中国空军的潜在对手建模的讨论和辩论产生影响。


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