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冷狗(候知健)的博客

没有追逐知识和自由思想的欲望,人和畜生也就没有了本质的区别

 
 
 

日志

 
 

前掠翼歼20——无聊的臆想  

2013-08-18 17:42:28|  分类: 航空 |  标签: |举报 |字号 订阅

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作者:怕冷的狗


导语:网络上流传的一份内部论文截图中,出现了采用前掠翼设计的歼20舰载机修改方案从整体设计角度来说,这种改进方案简直不可理喻。

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一:前掠翼的历史和重大缺陷

在上世纪40年代喷气式发动机投入使用以后,飞机的速度开始向高亚声速接近。此时机翼上表面的加速气流会形成局部超声速,带来的激波和激波诱导的附面层分离,会使飞行阻力急剧增大,导致飞行速度无法进一步提升。为了解决这个问题,飞机设计师开始使用斜掠机翼以推迟激波的产生。

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图:斜掠翼减小激波阻力


当时人们对斜掠机翼的了解有限,认为前掠翼和后掠翼在性能上并没有什么差别。在这种前提下,德国JU287轰炸机采取了前掠翼设计:在减低高速飞行阻力的同时,利用前掠翼的翼根靠后的特性,使机翼大梁的承力结构在较后方处通过机身,解放飞机重心附近的机身空间作为挂载重型炸弹的弹舱。这样可以使投弹前后的重心变化最小,获得最好的飞机操纵控制性能。

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图:早期的前掠飞机


JU287研制时正值1944年,连高速试飞都没有机会完成,这使它的致命设计缺陷没有得以及时暴露:气动弹性发散使前掠翼飞机根本不能进行高速飞行。由于前掠翼的翼尖在机翼根部的前方,在气动载荷的作用下,翼尖相对翼根产生的扭转变形会使翼尖的局部迎角加大,而迎角加大又引起气动载荷进一步增加,陷入恶性循环并最终引起机翼破坏、解体,导致无法挽回的坠毁事故。

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前掠翼气动弹性发散的出现时机,又和速度与前掠的角度息息相关。为了提高飞行速度,前掠翼必须加大前掠角度以减低阻力;但随着前掠角加大,气动弹性发散速度也迅速随之降低——当机翼的前掠角度从0度增加到28度时,机翼出现气动弹性发散的速度下降90%!为了克服气动弹性发散,要么减小前掠角;要么在结构上加强,进一步提升机翼的刚度和强度性能。


以一架轻型战斗机的铝合金机翼为例,当它的前掠角从14.5度增大到27度和35度时,为了保证结构安全,机翼重量要从255公斤增加到716公斤和1589公斤。这意味着对于传统金属结构的机翼来说,前掠翼又陷入了另一个在不可接受的阻力和不可接受的重量之间挣扎的恶性循环,完全失去了实用价值。


前掠翼虽然成为了世界上最早采用的斜掠机翼设计,但其地位立刻就被后掠翼所取代直至今天。但在70年代末期以后,高性能复合材料和先进鸭式布局的出现,曾经给过前掠翼起死回生的可能性,使其一度成为研究的热点。


二:苏27后掠翼设计带来的遗憾

 

后掠翼在加大后掠角的同时又可以保证足够的展弦比,可以获得不错的亚声速机动能力时较好的兼顾高速能力。在接近失速迎角之前,后掠翼在气动控制面(例如襟翼、副翼)偏转的过程中,升力中心的位移幅度始终很小,具有良好的控制稳定性——由于这些优点,后掠翼设计在第二代战斗机和超声速战斗轰炸机中非常受欢迎。

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图:这个状态下苏27已经无法控制


27有着几乎不逊色于F15的高空高速性能,但其机翼后掠角更小(42°),展弦比达到了固定翼超声速战斗机设计上限(3.5),拥有非常高的亚声速巡航效率,航程性能非常惊人。但现役的固定翼第三代战斗机中,采用后掠翼设计的只有苏27和米格29战斗机。这是因为它的三个缺点,决定了它并不适用于新一代高机动性战斗机:大迎角性能差,滚转效率差,结构特性差。


后掠翼在接近失速迎角时,因为气流分离会首先从翼尖开始发生而导致俯仰力矩出现非线性的变化,而且其剧烈程度随后掠角、展弦比增大而迅速恶化。这使战斗机在接近失速迎角时很容易会突然、难以控制的增加迎角,直到失速、完全失控进入尾旋。尤其是在引入边条、鸭翼后,涡流升力随迎角增大而急剧增强的非线性特性与后掠翼在接近失速迎角时产生的自动上仰趋势耦合,使战斗机的俯仰失控来的更早、更猛烈。


前苏联的飞行试验证明苏27战斗机在超出30度迎角以后,在迎角速度变化率低的情况下,极易失速,进入尾旋状态。只有在瞬态条件下进入大迎角状态,水平尾翼向上满偏,保证俯仰角速度达到70度每秒以上的水平时,才能短暂的进入超大迎角状态并返回。著名的眼镜蛇机动就是在这个基础上发展试飞出来的产物。

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图:眼镜蛇机动,在特定条件下诱发俯仰力矩上仰并且返回正常飞行姿态


大迎角控制能力差的另一个后果是,苏27在马赫数达到M0.85时,其可用最大过载迅速由9G下降至6.5G,可用迎角也大幅减小。这是由于战斗机的大过载机动必然会引起飞行速度的大幅降低,而战斗机从超声速进入亚声速时,升力中心的大幅度前移又会使迎角和过载都突然增大;苏霍伊不得不采取了保护性的设计,限制苏27在跨超声速范围内的性能以避免灾难性的失控和结构破坏。


后掠翼的滚转能力差则同时受到气动和结构两方面的因素影响。从气动上说,由于后掠翼在大迎角下气流首先从翼梢开始分离,因此副翼的效率会随着迎角的增大而降低,直到丧失控制能力。另一方面,滚转时副翼在气动弹性效应下发生的气动扭转,正好与机动所需要的控制力方向相反;所以副翼操纵效率随刚度降低而降低,随速压(与速度的平方值成正比)升高而降低。这足以使刚度特性差、抗扭转能力弱的后掠翼在高速时将滚转控制能力丧失殆尽。最终苏27的副翼不得不放弃了效率最高的机翼外侧,再加上它的宽间距发动机吊舱设计本身就使得飞机的转动惯量严重偏大,这让苏27的滚转性能在三代机中属于垫底水平。


三:苏27的英雄迟暮和S37的意图


伴随着机载火控、武器系统性能的巨大提升,在新时代的空战中,中低空亚声速下近距离内进行反复的追逐、缠斗、咬尾的现象已经成为历史;谁更敏捷、更能先将自己的机头指向对方谁就能获得胜利。而更高的机头指向能力要求,则意味着战斗机需要更高的瞬间盘旋能力,更快的滚转速度——尤其是大迎角带过载下的滚转速度;而在成为主流空战模式超视距作战战斗机的超、跨声速机动性变得异常重要


现阶段所有服役的第三代鸭式布局战斗机,全都是以苏27为假想敌设计的针对性制空机种。欧洲和中国的选择不是巧合,而是在相同性能需求下引发的技术路径高度相似。大三角翼+全动鸭翼布局的战斗机,恰好可以在苏27的弱点方向获得最强的性能优势——跨超声速机动性能、大迎角大过载大速度下的滚转性能。


事实证明鸭式三代机的设计思路非常有效。在歼10与苏27的对抗中,苏27面对还在超声速阶段就可以拉满9G过载盘旋进行占位的对手显得极其被动,即使在艰难的成功占位以后,对手又会立刻以剧烈而迅猛的带过载滚转脱离,根本来不及锁定。

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 图:歼10先进的飞行控制系统


针对苏27的缺陷苏霍伊进行了大量的理论研究和实践,三翼面改型就是这种努力下的产物。但既有鸭翼又有平尾,那就意味着兼有两者的重量和阻力、以及配平时的升力损失;这既使得飞机的机动性能提升没有期望中的高,又恶化了飞机携带导弹时的高速性能,还大大降低了飞机的载荷航程能力。


在下一代舰载机/前线战术飞机的预研中,如何保留苏27的性能优点,但又要克服那些已经被对手牢牢抓住的弱点,就成了研制工作的核心矛盾。S37验证机就是这类工作中的一个重要部分,它的目标是将三代鸭式机和苏27的优点结合起来,并完全克服这两类飞机的缺陷——而技术突破方向的关键部分就是前掠翼。

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图:通过安排复合材料中高性能纤维的走向,实现复杂的刚度剪裁设计


从理论上说,依靠复合材料和气动弹性剪裁技术,前掠翼只用很少的重量代价就能更有效的抑制扭转发散的趋势,从而获得更高的飞行速度,这使它具备了成为高性能超声速战斗机设计选择的基础可能性,促成了70年代末期后的前掠翼研究复苏。


大迎角下,斜掠方向的相反使前掠翼在气流从翼根而不是翼尖开始分离,这带来了全方面的性能提升。从控制上说,在消除了后掠翼在大迎角下出现的副翼效率急剧降低和自动上仰现象后,战斗机的大迎角控制获得了良好的基础。从气动上说,由于翼根正好处在边条、鸭翼形成涡流的中心区域,因此前掠翼通过涡流抑制机翼气流分离增加升力的收益比其它任何类型机翼都要明显。

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S37的实际试飞结果该机在取得预期优势性能的方面获得了成功。S37不仅克服了苏27在大迎角性能和敏捷性上的弱点,拥有出色的带迎角带过载滚转能力;而且由于前掠翼相比比三角翼在性能上的升阻比优势,亚、跨声速范围内的持续机动能力和航程性能更是远超传统的鸭式三代机,非常优秀。可以这样说,如果S37在超声速性能上也能够表现良好,达到接近传统鸭式三代机水平的话,它代表的前掠翼鸭式布局设计就是三代机的完美选择。


四,S37的失败

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S37最终还是失败在高速性能上。在超过M0.8-1.4的跨声速范围以后,S37的阻力就开始急剧增加,以至于该机的高速性能完全无法令人接受。作为验证机S37存在着不少问题,在设计上的优化程度比较低,例如作为探索大迎角飞行的保护措施还设置了水平尾翼,拉郎配的发动机长度过大等等,这些因素都大幅度增加了S37的重量和飞行阻力。但最关键的因素还是在前掠翼上。


S37机翼的前掠角度只有20度。虽然从气动上说,由于气流流向的原因,前掠翼的真实斜掠角度要比后掠翼更大一些,但这种优势远远没有大到能抵消20多度差距的程度——高机动飞机采用的中等后掠机翼,一般角度在42度左右。苏霍伊的设计人员当然明白增大前掠角度能够有效的减小超声速飞行阻力,但他们不能那样做——增大前掠角度只会急剧的降低前掠翼的气动发散速度,性能损失远远超过巨大的气动阻力。

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在涉及高速性能的几个要素中,在机翼而具备了较大的阻力特性而且不能改变的情况下,剩下的改善途径就只有减小机翼面积和加大推重比了。从S37的设计来看,设计师打算牺牲一部分盘旋性能和最大载荷起飞能力,通过采用较小面积的机翼,以获得较轻的结构重量和高的推重比来减少高速性能的损失,但结果仍然是无济于事。


S37失败的原因,表面上看是超声速阻力的失控,本质上是以现有的技术能力仍然不足以支持前掠翼实用化,包括材料和工艺水平,以及对前掠翼气动弹性规律的认识水平。除了高速性能之外,前掠翼还存在着隐身方面的严重缺陷——它的两个内角会形成强烈的电磁信号反射特征,而且无法消除。最终苏霍伊在下一代战斗机上彻底放弃了前掠翼设计。


S37实际上反映了苏联在对于战斗机系统发展理解水平上的巨大差距。在苏27刚刚准备量产的1982年,美国就正式提出下一代战斗机4S的招标概念隐身性、高度机动性和敏捷性、不开加力实现超声速巡航、一体化的先进航空电子技术具有飞越包括第三世界战区在内的所有战区的能力。而直到90年代,俄罗斯人的大脑仍然没有舍得跳出苏27的荣光,还在试图打造最强三代机。


五,歼20舰载机前掠翼方案


根据论文自述,该方案的主要意图是以高速性能的损失为代价,改善歼20的外挂性能和低空低速能力。但就笔者看来,该篇论文纯属扯淡。

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图:论文截图


通过测量软件提取,该方案(以下称BH)机翼的前掠角度为45度,翼根内角为90度。笔者之前反复提到前掠翼的气动发散速度和前掠角有极大的关系。除非BH方案的歼20一辈子不高速飞行,否则45度前掠角的前掠翼要满足9500kg/㎡以上的速压指标,这绝对是现阶段地球上首屈一指的航空工业挑战。笔者并不清楚美国人是不是能完成这个挑战,但很清楚这个挑战绝对不是国内能完成的。


尤其是看到90度的翼根内角时,笔者已经开始严重怀疑方案提出者的基本专业素养了。严格避免线、面以直角相交,使雷达波沿着原方向反射回去形成强烈的角反射特征,这是飞机外形隐身设计中基本到不能再基本的原则。隐身是飞机各方面设计中木桶原理体现最明显的一个领域,只要出现一个强反射特征,其余所有努力全部白费。

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图:应用直角反射原理设计的角反射器,仅用很小体积就能获得巨大的雷达反射特征


现阶段歼20虽然隐身设计还没有测试、优化完成,但已经表露出相当强悍的能力;在试飞中地面雷达对于歼20的跟踪观测很不可靠,往往需要飞机伴飞指引方位。然而一旦采用这种BH方案的机翼,歼20的正面雷达反射特征就会迅速激增到非隐身飞机级别。

结语


没有制空权就没有制海权。在可以预见的未来内,我国必须竭尽全力将所有的的航母全部投入到与美国航母群对抗中,才能完成彻底阻绝美国舰载航空兵远程干涉、打击我国东南沿海地区的任务。在这种能力实现之日,我国才真正具备了打破战时岛链封锁、武力统一台湾的基础可能性。


针对美国海军在可见未来内都没有机会获得具备超巡能力的真正四代机的装备空白期;发展重型航母,搭载具备超巡能力、内置隐身反舰导弹的重型四代舰载机,这是我国未来在海洋军事对抗中形成、占据局部优势的唯一选择。

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