沈飞4代机方案机动性一流呼声最高 为何被歼20翻盘

2017年10月23日 14:57 新浪军事
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  这几年J20风光一时,中国以不可思议的速度,从一个在80年代都造不利索二代机的国家一举飞跃为第二个能设计建造四代机的国家,航空科技确实在这短短的30年间进行了跨越式的发展。由于速度太快,中国发展四代机实际上自己也始料不及,前后阶段性的发展了两代四代机。

  1989年,命名为J10的新歼方案基本定型,错位发展的双发大型飞机的新一代飞机启动发展,考虑到当时的航空科技水平,这种以推力85KN的WS12发动机驱动的双发战斗机瞄准当时欧洲的90年代先进战斗机,一定程度上吸收美国ATF计划的设计思想,但是当时只有欧洲战斗机才有原型机亮相,基本性能数据可以分析和借鉴,ATF的验证机尚未亮相,所以中国新一代战斗机强调高机动,高速度,先进的航电设备,发射后不管的空空导弹,这些计划诞生了今天一系列科技成果,比如J10B的先进PESA雷达和光纤总线的航电,发射后不管的PL12先进中距导弹,红外成像的PL10近距空空导弹。

  歼10B战斗机,采用了先进的PESA雷达和航电设备,加强了机身,成为第一款国产空战轰炸双重战斗机

  由于成都所当时主要任务是发展J10战斗机,所以,新一代双发战斗机主要由北方所承担,但是为了预防风险,同时让成都所也提供了一个备选的方案。这些古老的研究方案现在逐渐有资料公布,北方所主打研究的中等后掠角切尖三角翼正常布局的飞机是当时认定最有希望的发展方向,成都所所提供了一个两侧进气的鸭式布局双发方案作为参考。1990年ATF计划验证机亮相,YF22,YF23魔幻的外形和抛离所有国家的先进理念对研究形成影响,新一代飞机也被加入考虑隐身方面的要求,1992年中俄达成一系列航空技术合作协议,其中一项合作是基于新一代飞机的气动布局研究。之后几年,国内对之前的成果做了一个总结,对北方所的92,93方案和后来补充的新93方案进行了结题。

  歼9战斗机是成都的战斗机的鼻祖,歼10和歼20都在上面发扬光大,专心做一个布局不动摇是成都成功之道

  重新开始的新一代研究是个全国大布局的协作,老大所作为学术小组领导者总体牵头,具体分工上,正常布局和三翼面布局方向,由沈阳,北航,中央流体主要负责,鸭式布局由成都所,626所,西工大承担。基础研究由沈阳,北航,南航,中央流体负责。这项计划6沈阳所研究了从新93发展而来的常规布局K94,K96方案,然后又研究了三翼面的K96和K98方案,其中K98方案实验数据最佳,在世纪之初形成一个飞机基本设计方案;而成都所则主要研究鸭式布局,他们的研究主要在国内完成,626是主要合作单位,成都主要尝试了边条在鸭翼前和在鸭翼以后的布局,从而获得96和98两个布局,最后一个边条在鸭翼后的方案最佳。

  新世纪初对外气动布局研究基本结束,飞机进入到实际原型机设计,北方所工作进度较快,短短几年就完成基本设计,制造了一个全尺寸模型,这个巨大的飞机模型是第一次向外界展示中国绝密的隐身的先进战斗机模型,一时之间声名大噪,许多国家高层领导和军队领导都参观过,并给予高度评价,最后沈飞获得一个前无古人后无来者的纯以设计方案就作为成果的部级科技进步特等奖。

  仅仅凭借PPT和木头模型就获得无数好评,轻易丧失了判断力,沈阳上下都一副板上钉钉的超自信

  2008年前后几年,国内真正的最后的刺刀见红的四代机竞争开始了,沈飞的决定以最擅长的三翼面设计“雪鸮”参与竞争,这个设计在四代机气动阶段是综合性能最好的一个,而成都所以传统的鸭式布局“威龙”参与竞争,尽管没有美国ATF那样真的造个验证机出来PK一遍,但这次竞争是国内首次采用竞标式的战斗机研制对飞机的各项指标不仅进行理论评议,还要进行一定程度的实验验证,结果最后大家都知道了,成都所又一次临场大翻盘,威龙成为最后的J20,呼声最高,影响最大的雪鸮惜败。

  23m长的大家伙,总师认识技术潮流有偏差,重机动轻隐身,采用了太复杂的气动设计,最终惨败

  做一个事后诸葛亮,我们来看看雪鸮的气动布局。

  三翼面布局,是在常规布局基础上增加一个前翼,和现在广为传播的说法不同,三翼面布局和同样有前翼布局的鸭式布局其实一点关系都没有,两者气动现象和气动规律几乎完全不同。三翼面布局最初是常规布局在从静安定飞机跨入静不安定飞机时采用的一个临时的研究布局,简单的在现有飞机机翼前加装一对全动的小翼,以为在原气动中心前增加了升力面积,升力中心前移,就会造成飞机从静安定的变为静不安定的,F-4CVV,F-16ATFI,F-15MACT,F-8IIACT 都是这样的改进路子,这些飞机都是研究的试验品。

  美国最早将F15改成三翼面战斗机,引领了世界潮流,结果俄罗斯和我国纷纷跟进

  俄罗斯苏30战斗机,采用了三翼面,机动性有不少提高,这也是沈阳采用三翼面的促进因素之一

  雪鸮的气动布局采用了CARET尖劈乘波固定进气道,尖细窄边条,前翼,双后掠机翼,平尾,双外倾垂尾。从气动布局上来说,三翼面布局的基础还是正常布局,前翼位于机翼和边条之间,和鸭式布局不同,三翼面的前翼有调整飞机气动中心的作用,因此不能让前翼处于失速状态,一旦象近距耦合鸭翼一样先失速,那么飞机气动中心会立刻后移,飞机会立刻变的迟钝,加大平尾的配平压力,所以,在三翼面气动布局中,前翼的控制规律是要保证前翼的升力不能发生大的波动,所以它很多时候都是象前缘襟翼一样下偏,由于机翼的上洗,前翼即便是下偏,其真实迎角也是正的。

  雪鸮模型,明显看出采用了类似F22的机头,进气道和机身设计,升力控制面采用三翼面

  带大边条的三翼面布局,边条在前翼之前,在大迎角时,边条涡可以推迟前翼的失速,前翼的偏转可以一定程度平衡和调整边条涡产生的升力线性升力斜率,边条涡结合前翼下洗流,不仅可以延迟边条涡破裂的时间,而且可以让涡流在很宽的迎角范围保持一个相对稳定的强度,所以三翼面布局可以在很大的迎角范围获得可控制的能力,但是这个取决于飞机总体的设计和飞控的设计,通常的带大边条的正常布局可用迎角一般在26度左右,可控迎角30度以内,先进控制的飞机可以达到45度,三翼面飞机可以比较容易的达到60度迎角可控,极限情况下90度迎角都有还具有一定控制能力。

  三翼面布局在低空遇到不稳定气流时,气流先通过前翼产生升力趋势,而这种趋势和机翼的趋势相反,而气流到了机翼,又和前翼和平尾相反,到了平尾,和前面两个翼面相反,因此,三翼面有天生的稳定紊乱气流的能力,适合低空飞行。三翼面布局多了一个翼面,属于高升力布局,但是,由于前翼和机翼相互间有干扰,三翼面布局升力系数高,阻力系数也高,它可以允许飞机设计师选择较大的翼载荷,设计较小的机翼,但是它比常规布局更依赖发动机的推力。

  俄罗斯的三翼面飞机经常做飞行表演,机动性很不错,但是特别坑发动机,推力小玩不转

  回到雪鸮,因为飞机阻力比其他布局都大,因此设计师想从机翼上做文章,但是机翼设计是非常重要的,它决定一架飞机的基本性能,不管是常规布局,还是三翼面布局,机翼在40度左右的前缘后掠角是最佳性能区域,但是要飞机超音速阻力小,要么大幅度减小机翼面积,结果是机动性变差,要么是增大机翼前缘后掠角,601的设计师想了一个折衷的主意,他们采用了一种古老的机翼设计,双三角翼,这种设计在J7E上就被采用了,它是边条翼气动布局的前身,机翼由大后掠角的内段,和小后掠角的外段构成,它的阻力介于两者单一后掠角之间,升力大于单一的后掠角机翼,严格的说,这种古董设计技术有点逆科技潮流,因为双三角翼的效果其实后来的边条加机翼的组合已经能更好的完成了,在有边条的情况下采用双三角翼的效益并不明显。

  成都歼7E战斗机采用双三角翼,大大提高了机动性和航程,也深深打动了沈阳的设计师

  雪鸮的气动布局有一个巨大的难题,边条从进气道唇口开始,然后要累加前面边条,前翼,机翼,平尾,这一串气动元件必须串列在一条直线上,这让飞机长度变得非常长,尤其是双三角翼的翼根弦长更大,加剧了这个矛盾,最终601的雪鸮是一个长度超过23米甚至24米以上的庞然大物,飞机比J82,苏27还要长的多,这样一来飞机就更重,需要更强大的飞机推力。

  和最后的J20相比,雪鸮构形复杂,飞机尺寸巨大,对发动机依赖高,必然导致最后的飞机成本高,超音速巡航性能低,飞机的推重比低,进而影响机动性,另外隐身控制方面601对技术的掌握和理解程度有所偏差,对飞机隐身方面设计优化不足,几乎是必然输掉了竞争。

  当年沈阳和苏霍伊设计局关系紧密,设计师受其影响很大,对于隐身的要求也类似,推出的飞机都是不隐身的怪物

  有美国和法国的同行最后看到了新闻和公开的论文资料以后感叹说,601所选择了一堆落后的气动技术堆积出一个竞争先进飞机的架构,输在了起跑线上。(作者署名:大水)

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