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揭秘与歼20竞争失败的中国五代机方案 气动布局完败

来源:wzjobs.cn 作者:日记 读后感 周记 时间:2017/8/23 19:59:49
揭秘与歼20竞争失败的中国五代机方案 气动布局完败

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中国五代机方案竞争的胜负是在2006年结束的。如同当年的歼10一样,现在歼20的方案凭借绝对的压倒性优势获胜。

歼20获胜的核心因素和当年歼10一样,都是源于竞争对手方案在空战需求认识以及技术运用魄力和能力上所北方网体育频道http://www.ag151.cc 存在的一个时代以上的差距——而体现在总体设计上最为明显的一点,就是现在歼20采用了大外倾全动垂尾的鸭式布局设计,而竞争对手则采用了三翼面布局设计。

对于五代机来说,最重要的性能就是隐身和超声速巡航。这两者的结合,能极大幅度的压低对手发现自己的距离(隐身),缩短对手的反应时间和压缩对手的对抗余地(隐身+超巡),并且使得五代机能始终维持在对手的飞行包线之外,拥有抢占有效武器发射阵位(我能开火打你,你没办法开火打我)和武器实际杀伤射程(飞行速度高的飞机,导弹的初始速度高,射程更大)上的绝对优势。

图:无尾三角翼布局

隐身的低雷达信号特征与超巡的低阻力特性,两者在设计上有一个很大的共通点,就是要求战斗机的气动外形尽可能的简洁,需要尽可能减少气动面设计。理论上无尾三角翼布局是最能兼顾这两者的总体设计,而且最轻。

但是这种布局上,气动面无法提供足够长的俯仰(战机低头、抬头)操纵力臂长度;在短距起降能力、高机动——特别是超声速状态下的高机动能力上表现有明显的局限性。

因此现阶段的主流五代机方案,多数会需要退而求其次,在机翼的前方或者后方增设控制面,形成常规或者鸭式布局;以重量、阻力和信号特征加大作为代价,避免总体性能上出现过于明显的短板。

而和歼20竞争的方案,则采用了三翼面布局。这意味着在重量、阻力、雷达反射信号上,都会远远高于鸭式布局。特别是在巡航阻力上,三翼面布局是非常高的——这一点随着速度提高、阻力增大会越来越明显,到超声速状态下由于激波干扰阻力的出现,将会进一步恶化到无法接受的程度。

比如苏27sk的最大航程是3680公里(3900的是基本型苏27,结构很弱,外挂重量仅4吨),而三翼面布局的老苏35就下降到3200公里,苏33则下降到3000公里。而这还是以较低的亚声速状态进行巡航的结果。

图:JA37采用固定鸭翼带襟翼的设计,和后来全动鸭翼的战斗机不同,控制难度低但是性能也较低

而当时歼20的竞争对手之所以选择三翼面方案,是试图获得更高的机动性能。在瑞典萨博的JA37上,人类首先实现了利用脱体漩涡气流,增强机翼升力的突破;后来所有的先进战斗机,边条、鸭翼等各类设计,都是遵循这一路线的产物。

理论上采用全动鸭翼的战斗机,由于把产生涡流的气动面和提供俯仰控制能力的气动面合二为一;再加上它更远离飞机重心,因此相较于常规布局,不需要边条、而且面积比水平尾翼小很多,就能实现相同或者更高的机动性能。

但是这种二合一的设计,带来了巨大的问题——极其难以控制。涡流升力的变化是非常不线性的。结果就是鸭翼上偏让飞机抬头,涡流也猛烈增强,飞机升力暴涨;而鸭翼下偏让飞机低头,涡流急剧削弱,飞机升力暴跌。

这就好比一辆动力调教极差的小排量高功德国队庆祝进球http://www.zhalantun0.com 率涡轮车爬地库一样,油门踩深一点猛烈蹿出去,刹车都来不及;油门稍微收一点,马上发动机喘振熄火瘫死。而对于战斗机来说,情况比汽车更危险的多——无法控制的上仰将会使飞机陷入难以改出的失控,导致飞行员昏迷坠毁甚至直接空中解体(高速状态下)。

这也是为什么现在全动鸭翼的鸭诞生了http://www.ag237.cc 式布局战斗机,都出现更晚,清一色都是原生的高性能的数字电传的原因,而边条翼放宽静稳定的常规布局战斗机,像f16和苏27用模拟电传就行了。

图:三翼面布局的全动鸭翼控制难度非常低,这是美国早年尝试战斗机电传技术的F4 CCV验证机,所用飞控技术非常原始

而三翼面布局,则是在常规布局上添加鸭翼的设计;通过水平尾翼负责主要的俯仰控制,极大减小了鸭翼的控制风险和难度,而又获得了鸭翼比边条更强的高增升效果——代价是阻力和重量很大。因此这种布局主要见于验证机和现有战斗机的改型,在鸭式布局飞行控制技术成熟以后,少有原生战斗机设计方案选择。

因此当时与歼20竞争的三翼面方案,从设计思想上说,颠倒了五代机的性能主次选择;从技术运用上说,没有完成高难度高风险飞行控制方案设计的魄力和能力。

图:歼20全动垂尾兼顾了俯仰方向的辅助控制

而歼20则完全相反,它在传统鸭式布局的基础上又进了一步。利用隐身本身需要大外倾垂尾的特点,将垂尾做成全动式;比传统垂尾面积更小、阻力和雷达信号特征更低、更轻的情况下,其操纵能力要远远高于传统垂尾;同时利用大幅度外倾带来的控制力分量,使垂尾起到部分水平尾翼的能力。

换句话说,歼20用比传统鸭式布局还低的阻力和重量,获得了高度近似于三翼面布局的控制能力;因此最后在隐身、超巡、机动性能上全面压倒了竞争对手。当然代价是,其飞行控制系统的开发难度和风险、全动垂尾本身的气动力和结构设计难度,都远远超过对手。(作者署名:候知健)

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