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日志

 
 

中国为什么需要新苏35  

2014-11-13 08:00:04|  分类: 航空 |  标签: |举报 |字号 订阅

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导语:

 

    在今年的珠海航展上,俄罗斯苏27家族的最新锐改进型苏35战斗机期然而至。在相当长时间内,中国是否会引进新苏35都是一个被广泛争议的话题。

   

一:苏27在多用途作战性能上拥有无法替代的潜力

 

27从项目规划之初,就将兼顾飞机的高空高速冲刺拦截能力与携带大量武器进行远距离飞行的载荷航程能力作为核心要求。通过采用气动效率非常高的升力体布局、使用展弦比非常大(在战斗机范围中)的后掠翼设计,以及高达9 400公斤的内部燃油储量,苏27的航程达到了惊人的3 900公里。

 

不过早期的苏27因为结构强度不足,最大武器携带能力只有4 000公斤;直到苏27SK对结构进行增重补强以后,最大武器携带能力才上升到8 000公斤。当然结构的加强也带来了570公斤的重量增加,苏27SK的最大航程有所降低,为3 680公里。

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图:苏27家族至少从苏27SK开始就设计就有12个挂点。图中一共使用了10个,两侧翼下各3个,进气道下方各一个,进气道中间机腹上前后两个。实际上机翼内侧还有一对硬挂点,虽然没有开放但内部的承力结构、电气通道等设计均一应俱全。

 

优秀的挂载能力不仅仅体现在重量上,挂载方案是否合理才最终决定了其实用性高低。苏27家族的挂点设计非常优秀,全机10-12个挂点分布的非常均匀合理;除了进气道中间的2个前后串列挂点,尤其是后方的一个以外;所有挂架都有非常好的前向视野——这对于制导武器、电子作战吊舱来说是简直就是天赐福音。而在执行对空任务、苏27在超声速状态下飞行时,各个导弹之间因为间隔较大,形成的气动干扰阻力也很小,非常有利于苏27保持高速和加速飞行。

 

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图:苏27系列挂载KH41导弹

 

尤其是苏27家族不需要副油箱,这不仅大幅度减小了气动阻力,而且意味着那些允许进行大重量挂载的硬挂点可以全部用于悬挂重型炸弹、重型导弹等攻坚武器。对于其它战斗机来说,副油箱就是体积最大、也最重的外挂物;在执行远程任务时,3个副油箱就足以将战斗机的重挂点几乎全部占用殆尽。而仪仗着9 400公斤甚至更高的内部燃油容量,苏27家族(不包括最早的苏27、苏27UB型)即使满载内油起飞也可以携带外挂6 500公斤武器,这是其它战斗机根本无法比拟的。

 

27不仅挂载重量大,挂架数量多,而且在关键的重载挂点上可用性也非常好。进气道之间的腹部前后两个2 000公斤载重的硬挂点实际上可以联合使用,挂载4000公斤以内的超重型空射导弹,比如KH41超声速反舰导弹——这在战术飞机中是空前绝后的性能。

 

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图:F15E

 

27家族的进气道下方是两个1 1000公斤的挂点。在苏27M开始以后的型号——比如苏30MKK中,机翼下方的挂点得到了进一步的加强,靠近内侧的4个翼根挂点都是2 000公斤级别的。不过这些挂点使用上有一定限制,比如同时使用时,两个相邻挂点的总重量不能超过3 000公斤。但即便如此,这也是极为优异的性能了。

 

比如苏27的老对头F15,在这一方面就远远不及苏27。即使在进气道加装两个大容积的保形油箱以后,F15仍然无法摆脱对于副油箱的依赖。这种情况下F15根本没有空间和多余挂点来挂载大体积、高重量的重型武器。

 

事实上完全可以评价:从允许最大8吨外挂重量的苏27sk型开始,苏27家族就拥有着历代战斗机中最为强悍的外部挂载能力,其它任何一种战斗机都与此差距遥远。无论是执行对地、对海攻击任务,还是改造为电子战、反辐射等特种用途战斗机,都再也不可能有哪一个非隐身战斗机在平台基础上会比苏27家族更加优秀。

 

二:发挥苏27家族家族的多用途作战能力需要更长的机体寿命

 

27家族作战能力的瓶颈在相当长时间内都来源于前苏联落后的电子工业水平。体积大、重量高、性能指标低下、抗干扰能力差、恶劣环境比如高温度高湿度高盐度下可靠性差;几乎任何涉及到电子设备的负面评价,都可以毫不夸张的贴给苏27家族的早期型号。但从另一个方面来说,只要一个国家在航空电子领域有着足够的技术水平,能够彻底更换苏27的机载航空电子系统,苏27原本的劣势反而能成为巨大的潜力。

 

比如苏27H001雷达系统,其尺寸和重量指标即使是给同样大小口径的高性能相控阵机载雷达使用也绰绰有余。而其它的机载设备中,之前沉重、庞大的型号只用一个很小体积的新产品就能取代;而且大量多个独立功能的组件可以被一个单独的多功能设备所替换。这种优势带来的不仅仅是减重,更重要的意义是空余出了大量的机内空间可以安排更多、更复杂的电子设备,可以极大的扩展飞机的作战功能。

 

事实上在战斗机升级改造的过程中,机内空间不足往往就是最大的限制。F16就是一个比较负面的例子,这种设计极为紧凑的飞机在承担越来越多的作战功能以后,其后期改进型不得不在飞机背部上增加额外的脊背结构,以容纳设备。这种做法不仅增重更大,而且破坏飞机的气动外形;既降低了飞机的操纵性和飞行品质,又严重加大了飞行阻力。

 

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图:F18G咆哮者电子战飞机。超级大黄蜂平台的航程性能本来就不太理想,大航程任务必须在翼下和腹部挂满三个副油箱。图中便是腹部挂点只能在航程或者作战功能、性能上取舍的结果。

 

尤其是承担电磁权争夺的电子战飞机和压制、摧毁敌方防空火力的反辐射飞机;它们要求搭载大量的高功率电子电气设备,无论是供配电、散热都比一般战斗机要求更高。而苏27内部的高燃油储存量和大容积设备搭载空间,不仅可以更好的应对电子电气设备的能源消耗和安装需求;而且它宽广均匀、且不受副油箱干扰、普遍前向视野极佳的挂点设计,更是为各种电子战吊舱的安置提供了绝佳的条件。很多电子吊舱之间都有着严格的间距限制,或者特殊的安装位置需要——尤其以要求尽量靠近两侧翼尖获得最大的间隔最为常见。

 

但是这也对飞机的结构寿命带来了很高的要求。从朝鲜战争后,战斗机的自身定位就从一种机械装备逐步向电子/机械装备演变,机载电子设备越来越多,作用越来越重要,而价格也越来越昂贵。对于今天的先进战斗机来说,飞机结构和发动机的成本在总造价里其实只占一小部分,航空电子设备的成本才是真正的大头。因此当作为平台的飞机结构本身寿命不够长的话,大量极为昂贵的机载设备就只能提前跟随飞机报废,带来难以承受的使用成本。

 

27在研制阶段碰上了一系列的问题,这使它的早期型号结构寿命都相当不理想;比如苏27只有2000小时寿命,而结构经过加强的苏27sk也只有2500小时。这意味着对于那些训练强度较高的部队来说,如果一架飞机每年飞行200小时;那么不到十几年,飞机的结构寿命就要用光。

 

三:新苏35拥有更长的寿命

 

由于总所周知的原因,我国和俄罗斯在苏27家族引进等重大军贸方面一度中断了十数年之久。这期间我国原有的苏27家族飞机寿命均已开始接近晚期,甚至已经开始出现较大规模的寿终报废现象。尤其是在防务压力最大的东南沿海地区,飞机使用强度很大;而苏27家族早期型号——尤其是苏27sk原始设计又未曾考虑高温、高湿、高盐雾的使用环境,结构腐蚀现象严重,而且在一些无法更换的关键结构部位上多发,实际寿命比预估的还要短很多。

 

苏霍伊针对苏27气动和结构缺陷,很早就安排了多个不同方向并进的规划;形成了Т10С、Т10М、Т10К、Т10У、Т10ИБ五个主线的验证、原型机系列,总数达到数十架。算进衍生的支线,Т系列机型谱系的分支超过15条。在艰难的俄罗斯时代苏霍伊也未曾放弃这些改进工作,并且最终集大成于新苏35

 

通过引入西方的全新设计标准体系,以及材料、工艺的大幅提升;尤其是超大尺寸钛合金件的加工能力提升,使苏27原有的一些依靠数个钛合金件焊接起来的核心结构可以实现一体成型。比如苏27可以说整个飞机结构,包括发动机吊舱、主起落架、机翼机身连接机构等等,都是依靠着中机身的2号油箱下壁板展开的;这个部件强度刚度和寿命的关键性突破,是整个飞机结构性能脱胎换骨所不可欠缺的坚实基础。


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图:苏34和新苏35的结构之间血缘关系最为浓厚

 

新苏35不仅在重新设计整个机身结构时有着非常高的技术起点,既往的结构改进工作积累下的大量经验,尤其是苏34轰炸机对于大挂载重量、长寿命要求结构的研制探索经验对新苏35的结构与也起到了极为重要的作用。新苏35不仅拥有6 000小时的寿命,而且其含金量也比以往的型号更高:它可以允许更多、更长时间的极限状态飞行,以及大挂载重量状态下的起飞、飞行、降落。

 

    而在我国针对苏27家族的仿制改进型号中,根据现有公开资料所明确提及的内容,相关单位在歼11B等型号的结构上采用的仍然是刚度等代设计原则。刚度是指材料在受力时抵抗弹性变形的能力,刚度特性代表着结构部件在各种条件下的变形特征;因此一个部件的刚度高低会直接影响它与周围结构乃至飞机总体结构的匹配性。刚度等代原则的应用,说明歼11B等型号的结构设计被牢牢限制在被仿制型号的原始设计范围内。

 

事实上在苏27家族内部来说,自苏27sk开始到新苏35,结构演化增强已经到了第三代;而我国仿制改进的苏27家族型号中,歼15的蓝本对象苏33仅仅是第一轮结构强化的产物。寄希望于我国负责苏27仿制的相关单位在10-20年内拿出与新苏35结构水平相当的型号,从历史表现和技术规律上看,应该说是不现实的。

 

    

四:新苏35空战能力更好,发动机对我国意义重大

 

为了保证低阻力水平和控制重量增加,以提高飞机的航程表现;新苏35并未继续采用苏27家族中的三翼面布局改进设计,而是基本保持了原苏27的气动外形,改变主要是机头直径的加大和翼展的加长。因此新35虽然更重,却仍然可以保证3600公里的航程,与苏27sk非常接近。

 

27布局采用三翼面设计的最大原因,是因为苏27原始气动设计中边条与后掠翼的组合会带来很大的控制隐患。一旦苏27抬头拉大迎角,在达到、超过失速迎角时;涡流升力随迎角增大而剧烈增强的非线性特征,会与后掠翼在失速以后促使飞机猛烈抬头的现象耦合在一起,使飞机猛烈而不可遏制的被向上掀翻。眼镜蛇机动就是在此基础上进一步研究出来的特技动作。

 

这个问题同样导致了苏27在气动特性非常不稳定的跨、超声速阶段,并不能发挥出所有机动性能;从M0.85开始,苏27的可用过载就从9G减低到6.5G。否则由于升力中心的剧烈移动,苏27机翼升力形成的抬头力矩会严重超出平尾的平衡能力范围,导致飞机被掀翻失控——如果是在空气密度大的低空,这足以让苏27直接解体。

 

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图:新苏35的矢量推力参与机动控制

 

这些大迎角控制缺陷、跨声速缺陷均由苏27原始气动设计的配平设计缺陷所导致,是苏27设计上为了保证航程性能而做出的牺牲;根本不是单纯改改飞控、加强结构就能解决的问题。真相只有一个:苏27必须引入额外的低头控制力矩,这就是为什么苏27家族会有那么多三翼面布局改型。

 

    全动鸭翼俯仰控制能力极强,因为它向下偏转的角度范围非常大;这样即使是飞机以非常大的迎角抬头飞行时,鸭翼都能形成可靠、强力的低头力矩维持飞行姿态的稳定,并且在需要的时候把飞机向下拉平。当然俯仰控制能力的强化,同样会带来滚转控制能力的改善。因为苏27机翼刚度很差,而翼根处的襟副翼由于力矩不够长而气动效率很低,滚转操作非常依赖水平尾翼的不对称偏转。鸭翼在分担了俯仰控制功能以后,平尾可以允许更大的差动角度来改善滚转能力。

 

针对使用后掠翼设计、本身就存在很强大迎角失控倾向的苏27来说,它对鸭翼的选择是强化低头控制能力为主,涡流增升能力的提升则必须限制在较低范围内。和水平尾翼相比,苏27家族的鸭翼翼展、面积都不大,而且上偏幅度很小而下偏幅度很大。比如苏27家族的平尾翼展达到9.8米,面积为12.2平方米;而偏转角度向上可以达到+15度,向下达到 -20度。而其鸭翼的翼展为6.43米,面积为2.99平方米;上偏角度仅有 + 3.5度,而下偏角度则达到- 51.5度。

 

三翼面布局的问题来自于机身长度和重量、阻力的增加。老的三翼面布局苏35空重从苏27sk16 870公斤增加到18 400公斤,即使扣除因为对地攻击、轰炸、结构寿命提升等因素带来的结构强化重量;以苏30为参照物的话,单纯因为增设鸭翼带来的增重也至少超过700公斤以上。加上阻力问题,虽然三翼面布局的老苏35在内部最大燃油从9 400公斤提升到10 250公斤,航程却仍然大幅降低到3200公里。

 

新苏35通过117S发动机能够在一定范围内自由调整喷管方向的矢量推力功能,用发动机推力实现了额外的俯仰控制能力。在基本保留了三翼面布局优势、大幅度缓解苏27原有空战性能缺陷的同时,又避免了航程与跨超声速加速上的性能损失。这个型号是苏27家族中的巅峰之作,在保持苏27家族基本气动设计的情况下,它已经没有什么可以进一步发展潜力了。

 

    尤其是117S发动机本身对我国也非常重要。我国虽然有涡扇15发动机在研,但是未来的进度和性能前景还充满变数;提前扔开洋拐棍一条腿走路,恐怕难免重蹈太行发动机的困境。实际上117S发动机是我国未来10年以内,唯一能够获得的较为可靠的14吨以上推力发动机——并且带有矢量推力功能。可以说117S之于歼20,其重要性并不亚于当年AL31-FN之于歼10

 

 

结语:

 

    在歼20大量服役之前,我国迫切需要后继机种来维持原有的苏27家族机群。尤其是我国空军的装备体系并不健全,在专业的高机动电子战战术飞机、反辐射飞机上目前还是空白。苏35这种长寿命、高机动而且特别适合这种改装用途的作战平台,其对于我国空军建立完善作战体系能力的价值无论如何高估都不为过。

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