五代機系列——蘇57 【毛五為秋風所破歌】蘇-57的氣動與結構設計

關注我們,收看飛魚社的更多精彩視頻 或加入QQ粉絲交流群,獲取第一手相關資料 交流分享軍事技術知識 這次我們廢話不多說 457第二期,氣動與結構設計,開衝 大家提起457的氣動設計 第一個想到的肯定是 祖傳中央生力體佈局和獨家的可動編條椅 看過我們上期視頻的觀衆 一定會記得我們對這些設計 在隱身性能上的負面影響做出了批判 但是這裏有一個很顯然的問題 那就是蘇霍伊的團隊 不可能比我們這些業餘居民還拉跨 457之所以採用這樣的氣動佈局 在氣動和隱身上做了一個取捨 必然有它的理由 而這個理由說一千道一萬 最終還得先歸結到毛澤東建了鬼的地理位置上 先不說俄羅斯國土東西跨度 差不多有180個經度,9000公里 就說俄羅斯的氣候 三天恨不得下兩天雪,刮兩天半風 國土中還散佈着大量雪原 國土面積過大 讓敵機隨時可能從任何一個方向衝進來 氣候惡劣又導致毛子無法大量設置機場和保障基地 就算硬着頭皮部署了空軍基地 也要隨時面臨各種極端天氣的威脅 所以毛子在研發用於國土防空用途的戰鬥機時 恆定不變的性能指標紅線 就是快速抵達戰場的能力 這個指標可以說貫穿了整個蘇俄航空發展史 先是引導其發展了各種各樣的非常貴起降方式 例如爲了解決惡劣環境下 鐵站機場起降的火箭衝錘起飛 和極具特色的滑翹起落架起降 再加上種類繁多的垂直起降戰機 同時造就了其極具特色的截擊機體系 當然這些並不是本期要講的主要內容 只是引出了蘇武器的兩項核心指標 大航程與高速巡航 這裏之所以選用高速巡航而不是超音速巡航 就是爲了和所謂的4S指標區分開 在不清楚毛子航空系統享用速度 與戰鬥機調度能力的情況下 一個F22量身定做的不開加力的1.5馬克巡航 並不一定適合蘇武器 實現大航程這個性能指標的方法其實有很多 比如提高氣動效率 增大載油量 減少發動機油耗 加強空中加油體系 有時候還要考慮飛行員生理因素 比如飛行員要撒尿 你總得給他個廁所 再不濟也得有個尿袋吧 但我們單減出氣動設計這方面來說 就必須提高戰機的省足比 作用在戰機機翼上的力 這兩個力的比值就是升足比 在解釋什麼是升足比之前 我們先解釋一下什麼是升力 這涉及到雷諾數 庫塔如科普斯級公式 康達效應 波通量公式等等一系列基礎知識 不過這些我們通通都不會講 整簡單點 僅僅利用兩個基礎原理 波努力原理 即流速大的地方壓強小 以及由於空氣與固體表面的接觸 是在負面層的分子層面 則接觸到固體層面的機體分子 由於摩擦會被減速 這個負面層的概念 去做一個極簡的解釋 也就是機翼的外形 會使氣流在機翼的上下表面 形成一個壓力差 從而產生託舉的升力 而升力公式是 Y等於1⅔ρCSv² 室中ρ爲空氣密度 C爲升力係數 S爲面積 V爲空速 而阻力呢 首先我們要知道 實際飛行環境與設計師的理想狀態 有一定差距 並且爲了穩定飛機的姿態 及航向 需要對飛機進行配平 來流方向絕大多數時刻 不可能與機頭指向完全相同 加之爲了獲得良好的升阻比 飛機在巡航狀態 一般會維持一個較小的引腳 升至阻力D 則會因爲這個引腳而增大 我們簡化模型 假設0升阻力爲常數 在不考慮配平阻力的情況下 速度段相等時 飛機巡航狀態所需升力L 等於機身重力Mg 發動機推力F 等於升至阻力D加0升阻力 由於Mg不變 當我們提升機身部分的升力係數CL 增大升阻比時 在維持升力不變的情況下 所需引腳就會更小 異形投影面積SW也會隨之變小 阻力系數不變 異形投影面積減小 進而減小了整體阻力 我們將飛行權過程 簡單地拆分成多個相同的時間段 假設初始速度相同 單一過程中耗油量相同 及系統獲得能量相同 發動機克服阻力所做功越小 單位時間消耗能量越小 這樣就會使系統工作時間增加 航程變遠 爲了增加這個升阻比 蘇菊不惜選擇犧牲機動性能 選擇了一種結構特殊的中央升力體佈局 在大氣環境相同 速度相同 翼面積與異形完全相同的情況下 我們找了三種經典構型做對比 第一種也是最原始的 非升力體佈局飛機 只有機翼能提供升力 而升力體使用了翼身融合技術 把飛機的機身也利用起來 像機翼一樣產生升力 那麼中央升力體 則是在機身設計上使用了 安裝兩並聯大間隔機器道與發動機艙 兩機器道中間的氣流通路壁面 存在較厚負面層 從而形成較大上下壓力差 產生顯著的增加升力作用 相當於增加了相對翼面積S的同時 增加了其中部分翼面的升力係數 當然好處都是有代價的 首先上期我們就講過 這種設計會降低戰機的隱身性能 還有一個問題就是 在中央升力體的氣流通路中間佈置彈艙 氣流會對導彈發射姿態造成嚴重影響 就是由於這種擾流的存在 蘇-57主彈艙目前只能使用重型巡航導彈 俄羅斯戰術導彈武器集團總經理 奧布索諾夫之前也承認了這一點 可供選擇的解決方案包括 改變艙門展開後的外形 來創造短暫的穩定流暢 或者使用伸縮導軌 滑軌發射中距彈等等 而爲了達到蘇-57的另一個指標 從主翼上來看 蘇-57的機翼前緣後裂角達到了48度 和注重跨音速與超音速段性能的殲20類似 大於注重跨音速段與亞音速段機動性的F22的42度 遠高於傾向亞音速機動與低速巡航性能的F35的34度 一般來說 機翼的後裂角越大 展弦比越小 其所產生的激波阻力就越小 激波阻力是飛行器高速飛行狀態下 阻力的主要組成部分 但在低速狀態下影響較小 這樣的設計着重滿足了蘇-57高速巡航的需求 再者 從機體橫截面積上來看 正應了一些人給蘇-57起的這個蘇飛超薄的外號 蘇-57進行了機身扁平化設計 這種設計的目的是減小各個速度下 會有較大影響的粘滯阻力 從而提高各個速度段的升足比 當然 蘇-57的機身減阻計劃也有美中不足 例如爲了給佈置雙串聯大彈艙提供空間 和安裝後視雷達 蘇-57繼承並發展了側圍系列肥大的尾椎 在較高聲速飛行時 尾椎會產生一個高壓區 這無疑增加了後提阻力 另外 由於礙於承重結構設計 蘇-57的垂尾佈置位置也較爲靠前 如圖中紅色高壓區所示 在大櫻角狀態下 可弄邊條亦產生的渦流 在爲了獲得更好的增生效果而掃過整個一面時 會產生渦流氣流撞尾的現象 從而增大後提阻力 還好蘇-57全動尾也可以減小正向投影面積 不然巨大的後提阻力會是一個無法接受的缺陷 以上提到的這些氣動上的設計 都是爲了滿足蘇-57設計指標中 大航程和高速巡航的需求 不過我覺得大家可能更關心的 是蘇-57引以爲傲的高機動性與敏捷性 這主要通過另闢蹊徑的氣動佈局和矢量發動機實現 矢量發動機我估計大家都比較熟悉 除了能在一定程度上提升戰鬥機的機動性與敏捷性之外 推力矢量的一個主要作用 是使戰鬥機的過失速機動變得更加可控 從而拓展飛行包線 這裏要糾正一個常見誤區 即過失速機動無用論 這個無用 其實更多情況下是因爲過程不可控 比如早期無矢量蘇-27使用的手動切換機械備份 推杆鬆手等壓平方法飛出來的眼鏡蛇機動 就是不可控的 因爲一旦中途飛行員手動干預 就存在失速墜毀的風險 但是使用了推力矢量系統之後 同樣的眼鏡蛇機動 飛到羊角臨界點時使用矢量系統改觸並進行滾轉 就完成了非常迅速的180度掉頭 甚至打尾追敵機一個措手不及 同理 和利用推力矢量系統進行多葉飄 中擺 赫布斯特必登等過失速機動 往往有意想不到的戰術效果 而在機動設計上的令皮吸鏡 又是蘇-27機動方面最大的亮點 它的可動編調儀 蘇-27的編調儀主要作用有兩個 第一個是產生渦流起到增生的作用 第二個是增強俯仰控制的能力 位於進氣口上前方的可動編調儀 可通過偏轉對其產生的渦流進行控制 在一定情況下能改變渦流流動情況 使其更好地附着在機翼上表面 提高大羊角飛行下的操縱性能 並且提供一定的配平功能 這裏可能有朋友大喊 這我熟啊 渦流增生嘛 蘇-57的渦系實際上是比較簡單的 由於機頭長度限制 以及對多渦系偶合技術掌握水平有限 蘇-57的機頭渦比同代機頭要弱 如圖中所示 機頭產生的一點微弱藍色 在座艙後部與機身連接部分 向中軸線收縮處顯示的乾乾淨淨 沒有向後發展與編調渦和主儀渦流進行偶合 不得不說是一個遺憾 當然這也是毛子本身軍工困境的一個縮影 因爲人類現有技術科學的限制 目前並不能給出可用性很高的渦流偶合數學模型 因此現有戰機所使用的多渦系偶合 都是建立在大量轟動實驗 以及無數是非數據之上的 這些研究的花銷都是巨大的 這對於經濟大幅度衰退的俄羅斯來說 顯然是非常的不利 而蘇-57的可動編調渦可以在大影角的情況下 讓渦流更好地附着在渦面上 從而提供更好的生力特性 也算是把傳統的單渦系玩到了極致 但是這裏有一個很有趣的情況 根據國內對蘇-57的三維重建和軟件模擬得出的結果 由於渦流強度與機體外形的影響 可動編調渦偏轉對於平飛狀態的蘇-57 在亞音速段和超音速段對聲阻比的影響十分有限 在跨音速段 也就是0.8到1.2馬克速度下的增聲作用 也不像某些人吹得那麼深 從這個CFD的模擬結果中 我們可以看到 蘇-57的可動編調渦偏轉對抬頭立具的影響非常明顯 所以其設計之處的第一考量 應該是提升該機的俯仰控制能力 在滾轉能力上 由於蘇-57採用了繼承自蘇-2期 與傳統的中央翼和承重結構不同的主翼承重結構 從而也繼承了其滾轉性能並不太好的特點 在說明之前 我們先來了解一個概念 轉動慣量 它可以帶着整機質量向軸線附近的分佈情況 它的大小可以用來描述中心質量與機身軸線的重合度 重合度越高 轉動慣量越小 轉動力與相同時 滾轉也會越快 反之則越大 越慢 主翼承重的寬間距雙發佈局 將整機質量分佈橫向拉開 使得中央翼可以做得更薄 從而降低了整機的機身節面積 對減阻效果明顯 代價是轉動慣量過大 導致的滾轉無力 不過滾轉角速度對於把航程和載彈量作爲核心指標的蘇-27來說是夠用了 因爲蘇-27的作戰方式基本上是騎射間諜的思路 而蘇-57卻在此結構上做出了改動 爲了增加機身長細臂 以及處於佈置彈艙的考慮 並未把全部結構重量交給橫向佈置的主成立結構 而是在前方和縱向伸出了一條細長框架 用於支撐機頭和爲下方彈艙開闢空間 相比蘇-27改善了機翼連接處受應力的情況 同時進一步壓平了頸部 縮小了節面積 好處是進一步降低了機身節面積 提升了減阻效果 壞處是繼承了側位系列滾轉無力的特點 不過也在一定程度上改善了橫向轉動慣量集中的問題 至於能改善多少 由於沒有前人做模擬對比 我們在此時保留態度 不過好處都是有代價的 由於前身框架難以承受過大的橫向扭力 在格鬥彈艙上方的主翼與機身連接處 出現了一段錨釘之間連接的部分 至於這部分 扭力傳導的效果那肯定是不行啊 至於其壽命和使用情況 以及對整機的影響 明顯不能抱有樂觀態度 而可動邊條翼的插動會產生強弱不易的渦流 使兩側翼面壓力分佈不均 產生橫向力矩 從而對滾轉能力起到一定的提升 當然這些都只是理論上的改善 因爲邊條翼偏轉的時候會產生抬頭力矩 需要靠平尾和適量發動機去配平 在各速步段和各弓腳下的情況各不相同 總結啦 綜合速武器的氣動設計來看 還有這麼幾個特點 第一 通過中央升力體佈局以及小展鞋比的異形設計 來實現大航程以及高速巡航的指標 第二 通過可動邊條翼着重提高俯仰控制能力 尤其是在過時速機動方面 速武器幾乎是代表了現在的最高水平 第三 雖然沒有在下一代氣動應用水平方面打開局面 但是速武器依舊體現了蘇霍伊設計局非常不錯的 工程能力和整合能力 只是細節優化方面嘛 還是有些慘不忍睹呀 這種設計特點 一方面反映了俄羅斯軍工在蘇聯時代的積累還算比較厚實 另一方面則反映了其在新技術的應用上也有很多的不足 這種情況不僅體現在氣動設計上 在速武器的其他方面也都是一樣的 而從長遠來看 在面對敵人已經鋪開使用新技術的時候 手頭極其有限的資源到底是投入到新技術的開發當中 還是舊技術的昇華當中 也確實是一種艱難的抉擇 包括上一期講的隱身 這一期的氣動 還有下一期即將要講的航點等等設計特點 其實都側面反映了速武器的作戰思路 這也是俄羅斯 針對俄羅斯面臨的威脅 以及自身的實際技術水平所做出的最優解 這種思路極其現實 而且符合俄軍的戰略需求 不過這種戰術具體是什麼 在與北約的較量中究竟是道高一尺還是魔高一丈 敬請期待即將到來的終結篇 速武器的航天特點與作戰思路解析