细品新版歼20改进:加大腹鳍提升隐身性能

2014年07月01日 16:30  新浪军事  收藏本文

  首先是唇口外形的变化。在2001和2002号原型机上,进气道唇口呈平行四边形,上边缘平行于和机腹处于同一平面的下边缘,这一点和F-22类似;而在2011号原型机上,唇口上边缘不再和下边缘平行,整个外形呈现和F-35/“鹘鹰”类似的不规则四边形,从侧面看明显向下倾斜。

  原先的唇口上下边缘平行的布置,符合隐形战斗机设计中的平行边缘原则,对隐形更加有利,但是这种设计对附面层气流的排除不利。在DSI进气道设计中,由于鼓包顶部与鼓包周边存在压力梯度差,这个压力差把附面层从鼓包顶部的高压区,压向鼓包周边的低压区,从而降低了附面层气流进入进气道的可能性,这也正是DSI进气道的价值所在。为了彻底根除附面层气流进入进气道,唇口上缘最好有一个内倾角度,以便溢出的附面层自然从进气道上表面流走。原先的设计由于追求上唇口与下唇口平行,上唇口内倾角度过小,上方附面层流经鼓包后很可能再次流进进气道,使得DSI进气道的优势不能得到充分发挥。

  现在的设计虽然对隐形有影响,但是从F-35也应用这样的设计可以说明,这种影响即使存在也属于可以接受的程度。而且这种设计确实有利于附面层气流的吹除,提高进气效率。另外唇口上边缘改为向下倾斜后,机头棱边激发的涡流可以流到脊背去,有一定的增升效果,加强涡系复合,降低巡航状态下的诱导阻力。而且,当飞机产生一定迎角时,进气道上唇口的真实迎角将小于飞机本身迎角,可以延迟涡分离,改善大迎角情况下的涡系分布。

  除了唇口的变化之外,2011号原型机在两侧进气道的侧面还各多了两个正六边形蜂窝状开口。通过大量清晰图片可以发现,前开口和后开口上的蜂窝状小孔的外形不尽相同,前开口处小孔的形状似乎更有利于进气,而后开口处小孔的形状更有利于排气。

  由于唇口形状发生改变,导致进气道截面积出现变化,其进气流量也会变化,这两个开口用于辅助进气/排气的可能性很大。如果出现低速状态进气不足的问题,前方进气口即可起到辅助进气的作用,而后方排气口则用作排气调节之用。

  这种对进气道的详细调整表明,即使现阶段的歼-20尚不能获得满足性能指标要求的发动机,但是通过分析使用现有发动机的试飞数据,已有能力针对未来装备型号的发动机的性能诸元对其进气道设计进行相应调整。当然,在歼-20未来换装性能更先进的发动机之后,不排除其进气道还有在细节上做进一步调整的可能性。

  鸭翼和尾翼的切尖修型:

  从最早的2011号原型机的图片中就能够看到其全动垂尾的尖端经过了切尖处理。而在其首飞的图片中,我们还能看到该机的鸭翼也做出了类似调整。

  从空气动力学的一般规律来看,切尖处理一般是因翼面处在气流载荷比较大的地方,受其影响产生了比较严重的颤振所致。前两架歼-20原型机的垂尾外形和F-35非常相似,不过由于歼-20采用的是全动垂尾而非F-35的固定垂尾,加之飞机的活动翼面数量多,涡系相对F-35更为复杂,即使经过前期风洞试验,也很难做到对不同飞行状态下飞机尾部流场情况的准确预测。此次对垂尾尖端的切尖处理应该是多次试飞后的论证结果,可见歼-20的尾部流场情况应该比预计的更为复杂,对飞机后体的影响也更加明显。

  另外,和2001/2002号原型机对比可见,2011号原型机的垂尾面积又有所扩大,这说明科研人员对歼-20的方向安定性提出了更高的要求,对于气动载荷变化复杂的全动垂尾来说,扩大垂尾面积对垂尾的结构和动作系统的要求也更高了。

资料图:2011号歼20完成首飞后在跑道上竖起鸭翼。资料图:2011号歼20完成首飞后在跑道上竖起鸭翼。

  而鸭翼的切尖还带来了额外的好处。根据飞机雷达隐身学的原理,尽可能减少飞机表面的锐角是降低飞机雷达反射面积的重要途径之一。美国的F-22和F-35由于采用了常规布局,其水平尾翼可以做到前后缘分别与机翼前后缘平行这一所谓“标准隐身设计”,不存在翼面锐角的问题;而采用鸭式布局的歼-20如果让鸭翼的后缘同样呈前掠效果的话,会导致鸭翼的展弦比过小,诱导阻力较大而增升性能不足。所以歼-20最后仍然采用鸭翼后缘后掠的正常设计,这就难以避免的在飞机鸭翼尖端形成了锐角反射,而切尖处理后能够较好的改善这一问题,同时也如垂尾切尖一样可以降低颤振的可能性。另外,由于前面提到的鸭翼前方小边条的取消,导致鸭翼转轴前方缺乏遮蔽可能影响隐身,因此2011号原型机鸭翼内侧的轮廓也做了相应调整。

  歼-20诞生以来,围绕其鸭翼是否会导致其隐身性能不如其他第四代战斗机的争论一直不绝于耳,从2011号原型机对鸭翼细节的改进来看,虽然鸭翼对飞机隐身性能有所影响,但是通过改进可以使得这种影响最小化,充分发挥鸭式布局的优势。

  被“减”掉的减速板:

  在歼-20的前两架原型机的背部,有一块大型减速板,这块减速板的安装位置和工作方式和苏-27战斗机的减速板非常相似。而在2011号原型机的清晰大图上,我们在原减速板的位置已经看不到任何减速板轮廓的痕迹了,说明该机已经取消了减速板,歼-20也成为我国首款取消减速板的战斗机。

  减速板的作用单一,在飞行中的大部分时间作用有限,因而经常被看作是所谓“死重”的一部分。取消减速板设计,省去了驱动减速板开闭所需的一套液压机构的重量,而且由于减速板开闭时受到的空气阻力较大,其本身结构也需要进行加强,因此,取消减速板后对飞机的减重很有帮助。另外,取消减速板后留下的空间可以用于布置其他设备,或者干脆像苏-35一样用于扩大内部油量,这对于需要维持长时间超音速巡航飞行的四代机来说又是一个利好。

  实际上,世界上其他几款四代机都取消了减速板。美国的F-22和F-35是通过方向舵,襟翼副翼和TVC在飞控系统协调下的的联动实现减速的。而俄罗斯的T-50除了以上手段外,依靠可动边条和全动垂尾的帮助也能够起到原有减速板的作用。另外,作为三代半战斗机,俄罗斯的苏-35同样是通过方向舵差动,襟副翼联动和TVC等的联动。这说明,歼-20飞控系统的控制水平和我国现有机型比有了很大提高。

资料图:2011号原型机单发着陆测试。资料图:2011号原型机单发着陆测试。

  尾撑的加强和尾鳍的加大:

  歼-20的尾撑是其全动垂尾和腹鳍的安装点,对结构强度要求较高。前面的分析中已经提到,在前一阶段的试飞中,涡流对飞机后体的冲击要比想象的更为复杂,而对垂尾进行切尖处理只是解决颤振问题的一个方面,强化尾撑结构同样有助于改善颤振情况。

  要实现长时间超音速巡航飞行,就要求飞机在气动上尽可能遵循超音速飞行的面积律。具体说来,就是飞机横截面积沿着机头到机尾的方向的变化越平滑,飞机超音速飞行的阻力就越小。在这一点上,使用鸭式布局的歼-20机体后半身的收缩就难免显得突兀一些,为了缓解这一问题,2011号原型机除了对后机身外形进行修改,加大了发动机舱之间凹槽结构的深度,降低后机身截面积之外,还对尾撑做了明显延长。而延长加宽的尾撑也为尾鳍的改进提供了条件。

  但是,尾撑的延伸也使得其尾喷管横向动作的空间很受限制,如果将来歼-20换装带有推力矢量控制技术(TVC)的发动机的话,将很有可能是类似F-22的二元TVC技术。不过由于歼-20目前仍然使用AL-31F系列发动机进行试飞,改用新发动机后,飞机后半部分机体可能还会有一些调整,所以现在做出判断还为时尚早。

  歼-20的外倾式腹鳍从2001号原型机出现时就在军迷当中引发了诸多争论,很多人认为腹鳍是一种落后的设计,不仅增加了重量还会影响飞机的隐身性能。不过这对腹鳍在2011号原型机上不仅得到了保留,其面积还进一步加大并向后延伸。实际上,在全动垂尾不可能做得太大的前提下,腹鳍的存在能够有效保证飞机的方向安定性。尤其是像歼-20这样长度很大的飞机处于大迎角飞行时,从气流方向看去,全动垂尾可能被主翼完全遮挡,此时只能靠腹鳍提供飞机全部的方向安定性。和可能对正面隐身性能造成的些许影响相比,腹鳍的正面作用显然更大。

  在2011号原型机上,腹鳍的面积被进一步放大,这说明随着飞机超音速飞行性能的提高,对飞机方向安定性的要求也在增加。而且从2011号原型机的侧视图中可以看到,这对向后延伸的腹鳍几乎将发动机喷口完全遮蔽,顺带着改善了飞机侧向的隐身性能。而由于尾撑加宽,腹鳍的安装位置有进一步外延的条件,也就能和炽热的发动机喷口保持一定距离,提高安全系数。

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