【飛羽社】簡析殲-20：我國首個五代機究竟為甚麼採用鴨式布局？

關注我們收看飛魚社的更多精彩視頻 加入QQ粉絲交流群或關注我們的微博獲取最新動態 大家好 這裏是飛魚社 相信大家都聽說過一個關於我國首個五代機 J20廣爲流傳的謠言 這個謠言就是J20由於發動機性能不給力 被迫使用了會損害引滲性能的壓制佈局 彌補機動性差距 但是在N個月前 我們上一期五代機系列視頻中 我們分析了J20壓制佈局 爲何引滲性能不會弱於常規佈局 也就讓這個謠言失去了基礎 但是這樣就會帶來一個新的問題 那就是爲什麼J20要使用壓制佈局 一些觀衆可能會不假思索地回答 爲了增強機動性能 不過這句話實際上不能算對 但也不是完全錯誤 首先 戰機機動性能的評判標準包括很多方面 例如滾轉速度 穩排能力 順盤能力等等 再者 一架戰機在不同高度速度下的機動性能也是不同的 而增強某幾個速度或高度區間性能的設計 往往會損害其他情況下的某些性能 也就造成了戰機設計中的一些矛盾點 壓制佈局也不例外 那麼在具體分析J20前 我們首先要簡單地認識典型的壓制佈局啓動特徵 壓制佈局的最大特徵就是壓抑賽主義前方 這樣的設計使其除了作爲對應常規佈局評委的操作一面外 還具有渦流發聲器的功能 壓抑產生的託體渦會吹拂主義 捲起負面層並增加主義表面通過的氣流量 而經過合理的設計 壓抑渦與主義前緣產生的託體渦流可以產生藕合 使後者得到加強 延緩其破裂 並減慢它與一面的分離 從而改善生力特性 增強戰機的飛行性能 而戰機在仰角增加時 壓抑往往要向上偏轉 獲取抬頭力矩 隨着飛機仰角不斷增大 壓抑會先於主義達到失速臨界迎角 從而使戰機低頭 不過這也會導致沒有適量發動機的壓勢佈局戰機 較難做出極大仰角的過失速機動 除了改善升速比特徵之外 壓勢佈局還能提升戰機的進步穩定度 以及改善戰機操縱性能 靜穩定度一般可以用來表示 飛機的氣動中心與重心的相對位置 氣動中心在重心之後則靜穩定度爲正 飛機是靜穩定的 反之靜穩定度爲負 飛機爲靜不穩定的 具體來說就是指 處於某一基準飛行狀態的飛機 受到擾動偏離平衡狀態後 在擾動停止時 具有恢復到原來基準飛行狀態的趨勢 那麼這架飛機就是靜穩定的 在電船飛控出現前的全員靜穩定時代 由於配頻的需要 常規佈局飛機尾翼所產生的氣動力 與機翼產生的升力方向相反 因而會使得總的升力減小 從而造成升阻比下降 而壓勢佈局飛機則相反 由於氣動多面在前 因此壓抑產生的配頻升力是向上的 再加上壓抑渦流的增升效果 可以有效提升全機的升力 這也是爲什麼早年壓勢佈局 也被叫做臺式佈局 飛機進入超音速飛行狀態後 氣動中心後移會增加靜穩定度 這就直接導致飛機俯仰控制 所需的力矩更大 飛機響應速度與操縱性大幅下降 爲了解決這個問題 往往需要設計更大的多面面積 或者更大的多面偏轉角 這也間接地導致了飛機結構重量的增加 所以隨着技術的發展 現代戰機普遍採用了放寬靜穩定度的技術 這種設計使得飛機在壓音速飛行時 氣動中心可以很靠近重心 甚至在重心之前 飛機的靜穩定度變得很小 甚至爲負 成爲靜不穩定的飛機 現代先進戰機普遍採用了靜不穩定的設計 靜不穩定度越大的戰鬥機 配頻所需的力更小 在操縱飛機姿態變化時 所需的力也更小 變得更加靈敏迅速 並且隨着機翼的後掠設計 和現代發動機的重量增加 飛機的重心越來越靠後 而壓適佈局在設計中 往往有先天的靜不穩定度優勢 同時在飛行速度增加 乃至進入超聲速飛行狀態後 氣動中心後移較少 使得靜不穩定度變化較小 重心的後移也使得平尾的操縱力弊不斷減小 而壓適佈局戰機在靜不穩定度增加的同時 相比常規佈局的操縱力矩 更是有着得天獨厚的優勢 因此典型的壓適佈局設計 往往較其他設計要素相同的常規佈局飛機 擁有更好的超音速飛行性能 機動性和敏捷性 以及大仰角下的失速保護能力 相應的壓適佈局也有自身的缺陷 首先採用常規佈局的現代戰機 往往會在主翼前加裝邊條 邊條與壓翼一樣 都會誘導渦流改善主翼升力特性 但是與壓翼不同的是 邊條翼往往擁有更低的設計難度 以及更輕的結構重量 由於壓翼在充當渦流發生器時 還需要作爲控制舵面 因此在飛控系統編寫時 必須要考慮到壓翼在不同偏轉程度下 所產生的渦流特徵的不同 如果處理不好反而會弄巧成拙 這也是早年電傳飛控與仿真技術 還不夠發達時 壓翼戰機往往存在滾轉控制困難的原因 並且出於作戰需求的考慮 爲了使得壓翼產生的渦流 能夠在三代機時代 更常見的中近距離作戰中的 亞跨聲速飛行下 與主翼渦流更好的耦合 一般要遵循壓翼佈置水平面 高於主翼的設計 且主渦流場區域與翼身融合處高度重合 所以壓式佈局戰機的翼身融合設計 往往受到限制 因而壓式佈局飛機 在與其他設計要素相近 但使用了邊條翼和升力體設計的 常規佈局飛機做比較時 實際上也只是在部分速度區間下 具有升阻比優勢 這個優勢速度區間 還要看是否符合設定的作戰需求 而在除此之外的飛行性能上 壓式佈局帶來的優勢 在成倍增加的工程難度面前 也就顯得不那麼像了 所以具體使用哪一種佈局 是技術水平加需求牽引決定的 這也是我們幾乎每期視頻 都會提到的內容 而我軍穿透性制空的需求 主要是使戰機擁有大航程 和更好的超音速飛行性能 而壓跨音速區間性能 則可以作爲次要項目考慮 至於出現這種需求的具體原因 我們會留到結尾再講 言歸正傳 我國的第五代戰鬥機 殲-20爲了滿足我國空軍的需求 選擇使用了遠距離佈置壓翼 加中等展顯比 中等後掠角主翼面的壓式佈局 並首次將翼身融合的升力體設計 和邊條翼融合進壓式佈局中 還使用了主翼面扭轉 變彎度等設計 全動雙垂圍採用了外傾設計 並且設置了一對副騎 這些新的設計要素 在遠距佈置壓翼 奠定了主要優化高空高速性能的基調後 給殲-20帶來了 不同於傳統壓式佈局的性能特徵 接下來我們就來專門聊一聊 殲-20在壓式佈局上的創新之處 首先是壓翼與主翼線的邊條 前文我們提到了壓式佈局 相對常規佈局較大的優勢區間 而爲了進一步加強在高速段的飛行性能 殲-20使用了遠距壓翼 進一步加長了配平力矩 但是如果單純的增加壓翼與主翼的距離 會極大的損害 戰機在低速大洋腳下的飛行性能 因爲任何壓翼產生的渦流 對主翼提供的增生效果 都會隨着主翼與壓翼距離的增大而衰弱 所以遠距壓式佈局的戰鬥機如颱風 爲了有效利用渦升力 增加了一個小擾流片來拉渦 到了威龍方案上 由於爲了兼顧引伸性能 將壓翼和主翼同高度佈置 更加劇了壓翼渦流增生效果減弱的情況 所以611所在主翼和壓翼之間加裝了邊條 通過邊條渦來改善這一問題 在壓跨音速範圍內 當引腳不大時 氣流就從邊條前緣分離 形成流動穩定的託體渦 在它的影響下 外翼氣流流動受到干擾 不發生無規則的分離 也使得內翼升力得以增加 同時J20邊條翼的作用 也不僅僅侷限於低速環境下 在超音速飛行時 由於J20的機翼 採用了變彎度和變翼型的設計 內翼部分的相對厚度較小 1⁴弦長線的後掠角大 故可以與邊條翼配合 實現接近系長翼的啓動性能 有效減少了超聲速區的激波阻力 此外邊條的影響 還能一定程度上減緩壓音速加速 到超音速過程中整機的啓動中心變化 這也能使配頻阻力減小 當然這些設計在其他典型的五代機上 也有應用 邊條的渦流還增強了壓抑的偶合作用 通過多渦系偶合 大大的延遲了機頭壓抑渦流破裂 並且在2012號原型機後 改用的直邊條和增加擠形前提的設計 修正了渦流走向 避免在巡航狀態時 渦流在破裂前衝擊垂尾造成額外阻力 同時垂尾也無需應對 爲保證結構強度而加重的問題 一般來說將壓抑與主翼同高度佈置 會導致壓抑渦流的增生效果減弱 爲了減少壓抑與主翼同高度佈置 帶來的不利影響 一方面 殭20的壓抑和主翼分別採用了 上反角與下反角設計 另一方面 也恰恰是因爲壓抑與主翼安裝位置 不再擁有高度差 傳統壓式佈局戰機 因爲不能使用上單翼 從而無法有效利用翼身融合的設計缺陷 也就消失了 最後 殭20還使用了中等後掠角 中等展顯比的主翼 這也是在壓式佈局戰機中 極少出現的 常見壓式佈局戰機 爲了能使主翼較容易產生託體渦流 來與壓抑渦流藕合 實現增生效果 一般會使用大後掠角小展顯比機翼 這種情況下 壓抑大致能夠產生相當於其相對面積 三到四倍的相對最大生力系數增量 而殭20爲了改善整個影角範圍內 和速度區的生力特性 使用了前緣後掠角48度左右 展顯比2.2左右的中等後掠角 中等展顯比機翼 這種機翼相對不容易產生託體渦流 爲了應對這個問題 殭20的設計團隊 在其主翼前緣邊條後部 與機動機翼邊緣過渡的地方 設計了一個折角 這個折角可以拉出渦流 增加主翼面生力 同時在超過一定的仰角時 也會與邊條窩進一步藕合 邊條、生力體、機翼折角等等 首次出現在壓式佈局戰機上的設計 同壓翼、菱形機首這種傳統設計一起 造就了目前世界上 渦系藕合最複雜的機動設計 簡單地說就是機頭渦與壓翼渦藕合 在邊條渦流的引導融合下 與主翼折角的託體渦 融合垂扶主翼表面 通過多渦系藕合的應用 把殭20的最大生力系數 提升到了很高的水平 同時在垂圍設計上 殭20作爲隱身戰鬥機 爲了兼顧隱身和機動 與主流設計一樣 比如由於前文提到的渦流導向設計 在巡航狀態時 破裂不足的渦流會統一導向垂尾外側 這樣雖然避免了撞擊垂尾 卻會導致垂尾外側氣壓的降低 使垂尾內外側存在一個壓差 這種氣壓差會產生壓差阻力 並且給機體尾部一個向下的力 這個力的大小隨飛行速度姿態 和渦流的飛線性流動而變化 在增加飛機控制難度的同時 還會在一定程度上抵消五代機 採用各種措施帶來的增生效果 面對這個問題 各國解決方式不同 J20採用了後傾全動小垂尾來減小阻力 FR2則放棄了巡航狀態的治療 機動時則使用二元矢量噴管 誘導的超緩量效應增生來進行一定的對沖 球墊由於設計之初對速度沒有過高的要求 使用後傾雙垂尾來緩解一定的症狀 至於SU-57由於是大單窩系 所以將垂尾底座進行了墊高 並在此處開了集中散熱和APU進氣口 問題也一定程度上得到了解決 除了巡航狀態 外傾雙垂尾佈局戰鬥機 在做大洋角機動飛行時 尤其是在跨升速區進行盤旋和收斂轉彎機動時 前機身分離的託體窩破裂後打到垂尾上 會導致垂尾發生嚴重抖震 破裂的高強度窩瘤 包含有各種尺度的非線性混合窩瘤 垂尾抖震會嚴重影響結構強度和飛行品質 其中對後者的影響在全動垂尾飛機上尤爲明顯 外傾雙垂尾使用經驗最爲豐富的國家當屬美國 而首批F-18AB在服役不到三個月後 就發現經過大洋角飛行的垂尾根部出現了疲勞裂紋 這一問題曾嚴重影響了後續P4的生產交付工作 在F-35驗證機的大引角試飛中 當引角達到18度 馬合數0.75時 垂尾也產生了嚴重的抖震 過載達到了極限賀載條件 曾不得已結束了該次試驗 從最近美國公開的資料顯示 垂尾抖震仍然是困擾F-35飛機設計定型的重要遺留問題之一 在很長一段時間內都不能進行 長時間洋角大於等於20度的飛行試驗 在F-22飛機研製的過程中 也花費了大量的人力物力和財力 來研究解決翼面抖震動強度設計和震動結構疲勞等問題 而我國起步較晚 在此之前並沒有對抖震發生機理 結構強度設計等課題做充足的技術儲備 但得益於研發軟硬件設施的進步 可以利用後發優勢 通過CFD與PAF加風動試驗創造出快速迭代的模型 在帶有壓力傳感器的智能蒙皮支持下 使用彈性結構垂尾 利用力電偶和本鉤關係增加壓電纖維片 進行壓電主動控制的方法 成功地把抖震降低了25%以上 同時由於小面積全動垂尾會降低機體 在大引腳下的航向穩定性與操控性 故而增加一對副騎做出彌補 由於沒有機身遮擋 副騎在大引腳機動時 對航向穩定性的保持效率比大垂尾要高得多 同時對發動機尾噴口也能進行一定的遮擋 也有利於紅外引伸 以上我們就大概總結了J20的氣動設計特點 但是對於戰機的機動性能來說 除了氣動上的設計之外 飛控設計也十分重要 現代先進戰機普遍採用了隨控佈局 隨控佈局是後狗鬥時代開始出現的產物 它的作用是結合電傳飛控 將動力系統 結構 氣動佈局 進行一個有控制性的整合 可以理解爲操控方面的飛火推一體 在J20上隨控佈局除了擁有放寬靜穩定度 震顫控制 乘坐品質控制這些功能之外 還增加了一個直接力控制技術 直接力控制可以改善有人駕駛飛機的性能和操縱品質 減輕駕駛人的工作負擔 駕駛員使用直接力控制 可以做一些新的非常規的機動動作 從而在進攻和防禦機動中得到很大的收益 比如通過各一面協調配合 可以保證飛機在機頭指向不變的情況下 實現機身整體在三維空間內的移動 也就是我們常說的橫移 我國最早進行該技術研發的記錄 是在殲82ACT上的實驗 而美軍也將類似的技術 應用在了F35的摩坦飛控系統上 直接力控制摩態細分包括以下三種 直接升力摩態 俯仰指示摩態和垂直平移摩態 直接升力控制摩態 爲飛機提供長直引腳下的法向加速度控制 用於快速改變飛機的飛行軌跡角 在不改變飛機引腳的狀態下 增加法向過載而實現所需機動 配合抬頭動作可以迅速改出俯衝 也可以改善降落時觸碰落點的精準度 俯仰指示摩態是在長直法向過載情況下 改變飛機的俯仰角 可以不改變飛機的飛行軌跡 而提供快速的飛機俯仰姿態控制 它與頭盔瞄準器等結合 可以實現飛機的快速瞄準 也可以有效改善飛機的低高度下射能力 垂直平移摩態則是在操縱直接升力氣動面之後 經過一個過渡過程 纔可以達到的保持俯仰角不變 重心沿直線軌跡上升或下降的定常飛行狀態 它主要用於小高度範圍的精準變化 如編隊飛行空中加油等 因爲該技術需要一套額外控制率的飛控系統 我國在戰機的操縱感上設置了拇指輪來進行操作 此套拇指輪系統能夠進行前後左右四個方向的操作 併爲了防止誤觸設置了立爲0.9牛的死區 能夠較好的增強戰機在某些特殊場景下的機動能力 講到這裏我們差不多就可以得出結論了 應用了新型氣動設計的壓制佈局 新型飛控等技術綜合在一起 賦予了殲20氣動上優秀的綜合性能 但是我們在這裏還需要說的一點是 前文提到的這些包括編條 升力體 中等後掠角 中等展顯比機翼等的設計 只是改善了殲20作爲長距離佈置壓抑設計的壓制戰機 所必然產生的壓跨因素區間 大揚角飛行性能較弱的問題 殲20的優勢速度區仍然是超升速區間 這些設計達成的效果 是讓殲20在擁有極強超升速區飛行性能的同時 在低速區獲得與傳統近距佈置壓抑的壓制戰機所相近的性能 在與主打壓因素區的F35 或主打跨因素區的F22蘇57進行對比時 殲20在低速區飛行性能上 其實並不一定能討到便宜 這也是殲20較難在航展上 飛出一些極具觀賞性的表演動作的原因 而這種偏科是可以接受的 或者說是故意而爲之的 對殲20的氣動做出這種設計 首要也是最初被考慮到的是地緣因素 雖然我國不像俄羅斯一樣 有大量自然環境惡劣 從而無法佈置常備機場的陸地區域 但卻擁有十分廣袤 並且同樣缺乏戰機長期部署條件的海上專屬經濟區 更要命的是周邊國家在美國的教唆下 與我國主權紛爭不斷 我軍戰機需要擁有較大的航程和較好的高速性能 來保證能夠飛抵 以及能快速到達衝突區域維護主權 而且由於新一代先進航電帶來的影響 在對五代機的探測能力大大提升 以及空中作戰體系發生重大變化的今天 五代機間對戰的戰術慢慢迴歸到了 以超視距空戰爲主的作戰模式 這也就需要戰機有更好的超音速驅行能 在機動幅度較小 能量損失一般的超視距空戰 優勢能量位置搶戰階段 獲得更大的主動性 而殲20的對手們 比如F35因爲三軍通用和空面打擊堅固的 多用途射擊而放棄了高速性能 F22則是因爲態勢感知能力和空空導彈 可靠性欠佳的時代侷限性 將五代機之間的戰鬥場景 設定爲了中近距離戰鬥 故而選擇着重優化了跨因素區間的性能 這也是狗鬥場景中 在持續極限穩盤的能量損失下 即使是F119這種高性能發動機 也只能維持到的最大速度 這就使得殲20即使與敵軍五代機 進入了中近距離戰鬥階段 也可以利用能量優勢對抗同代航電的F35 或者使用綜合光電系統 搭配霹靂石的躍劍攻擊能力 壓制狗鬥性能更勝一籌 但武器設備不夠先進的F22 並且隨着穿透型制空思想的出現 高速穿過敵方前沿力量 來打擊關鍵節點的任務 也需要戰機擁有大航程能力作爲支撐 這與地緣上的需求不謀而合 所以從這種角度上看 說殲20的氣動設計更爲先進 其實有一定的道理 不過在視頻的尾聲 我們也必須指出 目前殲20主打的超聲速區性能存在的問題 那就是因爲缺少第四代發動機 而造成了薛定諤的超聲速巡航能力 超巡可以讓五代機快速進入脫離戰場 壓縮敵方傳感器響應時間和武器包線 同時極大拓寬自身武器的攻擊包線 一般認定的超聲速巡航標準 是指飛機不使用加力 在高低低高飛行包線下 以1.5馬赫以上的速度 進行超過30分鐘的巡航飛行 不過首先這個標準 是爲FR-2所在的歐洲戰場環境 所量身定製的 並不一定適合殲20 其次即使是以這個標準來評估 我們仍然不能給出 現階段殲20是否能夠超巡的確切答覆 那麼很多人可能會有疑問 殲20不是主打超聲速區的嗎 爲什麼還不一定能超聲速巡航呢 達成超聲速巡航 需要戰機在相應速度高度下 發動機不開加力 產生的最大軍用推力 乘以某一飛行狀態下的最大升足比 再減去一定的過載冗餘度 所得出的數值 還能大於戰機此時使用重量產生的重力 之所以需要減去一定的過載冗餘度 是因爲超巡不是平飛六彎 這裏需要發動機的冗餘推力 足以支撐戰機做出一定過載的機動 這其中就包含三個變量 分別是戰機發動機的最大軍推 各飛行狀態下的最大升足比 以及戰機的重量 殲20在氣動設計上 着重優化超聲速區 指的是讓殲20在超聲速區飛行時 擁有相較於其他五代機 更大的升足比和飛行性能 儘管這降低了超巡對發動機的要求 但是發動機的軍推如果不能達到要求 一樣無法滿足超巡的條件 在這三個變量中 目前公開的也只有早期版殲20 所使用的AL31F的推力曲線數據 而殲20的升足比曲線 雖然有可供參考的資料 但因爲具有一定的密集 必然經過了脫密處理 並導致數據的失真 至於殲20的空重則是頂級的絕靡 無從考據也無法據此推算使用重量 因而從嚴謹負責的角度來看 殲20是否具有超巡能力 對於普通軍迷確實是個未知數 不過可以確認的是 最新P4殲20所搭載的太行C型發動機 通過改進燃燒室 並且大幅度提升渦輪前溫度 而增大了推力 不過這種犧牲使用壽命 以提升推力的過渡型號 只是一種應急措施 用於在現有情況下 盡最大的能力保證殲20 接近射擊指標要求的戰鬥力 回到開頭 這也從另一個角度說明了 爲什麼發動機不足氣動部 是一種謬論 因爲殲20氣動設計的種種特徵表明 其從一開始就瞄準了 渦扇15支撐下的持續超聲速區作戰 而不是爲了彌補 現有過渡型發動機的性能劣勢 目前階段的殲20 實際上是發動機性能 沒有跟上氣動設計水平 說到底我們仍然需要渦扇15 才能讓殲20發揮完整氣動設計上的 高速性能優勢 我們也有理由相信 這一天不會太遠