中国第四代隐身战斗机露面

歼20 —— 漫谈四代机

上图为第四幅歼20最新大图

第四代战斗机(美、俄称五代机)没有国际公认标准。美国F-22最初提的战技要求,强调要有所谓4s能力——超音速巡航、超机动、隐身、维修性可靠性。 此外还有“先发现、先攻击、先摧毁”和一些性能数据,如什么高度、过载等要求。

现在前三个s比较公认(最后一个s有不同的解读),但不能认为缺一个s就不是四代机。每个国家是根据自己的经济实力、技术实力和军方要求研制新一代飞机。

中国第四代隐身战斗机露面

这些要求有的互相有矛盾,强调了这个,别的就要有点 损失。所以这些要求的排序很重要,比如把隐身排第一,其它就要相对“让位”。所以讨论此问题,每个国家观点不一样,飞机研制是综合平衡的问题。最早YF-22和YF-23竞标时,YF-23的隐身性能好于YF-22,但美国空军最终还是选择了YF-22。

中国第四代隐身战斗机露面本文重点讲前三个s的难点和矛盾以及一些有关四代机的话题。

超音速巡航

先谈超音速巡航(超巡),即要求发动机不开加力飞超音速。超巡最重要的是发动机和飞机阻力的问题。一般要讨论飞机阻力都用阻力系数。阻力等于4个参数乘 在一起——大气密度,速度的平方,机翼面积,阻力系数。而且为考虑别的方面,还要再乘以1/2,因为1/2乘以密度和速度的平方,称为“动压”,加1/2 就方便一点。

发动机推力要克服阻力,所以在设计新飞机有这个矛盾,考虑将难点压在哪一方面。如果飞机已经尽一切办法将阻力减到最 少,想达到超巡那就要看发动机。相反如果发动机推力无法提高,就只能在气动上下死功夫,所以发动机和飞机设计单位往往有很多争论。四代机以前的飞机要飞超 音速,发动机往往要开加力,短时间推力很大,速度很快,但很耗油。后来又想超音速,又想省油,就提出发动机不开加力长时间飞超音速,就是超音速巡航。原来 有的发动机开加力后的推力比不开加力要大50%甚至80%以上。现在很多人谈发动机推重比要大,比如推重比10,但这是最大加力推力与发动机重量的推重 比,要超巡还要重视发动机不开加力时的推重比要大。

计算飞机的阻力用的阻力系数分两部分。一个叫废阻力系数,就是和升力无关的那部 分阻力。另一个叫诱导阻力系数,就是和升力有关的阻力,升力大时,产生的这个阻力就大。现在只讨论废阻力系数,因为飞机飞很快,比如跨,超音速时,升力系 数要求很低,所以与诱导阻力系数关系不大。

废阻力系数包括两部分,一部分与飞机本身外形有关,超音速时还有激波阻力。最难的在跨音 速那段,废阻力突然有一个阻力高峰,所有超音速飞机的这个高峰都在M数1.2左右。过得了这个“坎”,飞机就可以超音速,过不了,速度就上不去。发动机进 气道如果设计得好,速度越快,推力越大,M数1.3、1.4有的发动机还可以增大推力。所以怎么样减少废阻力系数在M数1.2左右的峰值是关键问题。过去 认为这个峰值能达到0.03最好,但很难实现,现在一般维持在0.04或不超过0.04就很好了。

减少这个峰值的办法有:机翼大后 掠角,很薄的机翼,流线型机身,还有面积率。机头到机尾横截面面积是流线型,跨音速阻力就小。飞机本身机身是流线型,加了机翼,横截面就鼓出一大块,机身 机翼之间位置有个凸起,所以座舱放在机翼之前,就平滑了凸起。座舱位置的设计要考虑的问题,一个是视线,一个是着陆时对地观察角,一个就是面积率。如果座 舱很靠前,就说明考虑了面积率要求。减少阻力还可以减少各种机身口盖,减少飞机的“冲洗面积”(或称浸润面积,就是暴露在空气外面的整个飞机的外表面 积)。

所以严格讲飞机的阻力问题,不要单看阻力系数,还要看面积,因为阻力还要乘上面积。合理的考虑是阻力系数乘以机翼面积,否则有的飞机机翼面积很大,阻力系数很好,其实真正阻力不小。

另一个是飞机飞行高度。飞机飞行高度高,阻力小,因为越高,空气密度越低。飞得高一些,飞机就可以快一些。例如飞机同样速度,在9000米时阻力比 13000米要大。有趣的是,在11000米以下时,发动机的推力会随着空气密度下降而大幅降低,但高度11000米以上,到了同温层,发动机推力的下降 又和空气相对密度的降低成比例了,所以在11000以上飞超音速就划算了,因此超音速巡航一般在11000米以上。

还有一个概念,真正超音速巡航应该长时间保持在M数1.25以上才算。过去最太速度M数1.25或1.3的飞机,严格说只能算跨音速飞机。

综上所述,超巡是发动机推力和飞机阻力综合平衡的结果,如果一架飞机克服阻力的气动设计不佳,推重比10的发动机也不一定能推动飞机超巡。例如把F- 22的发动机放在F-15上,F-15不一定能超巡,因为其当年气动设计还没有考虑这种要求(实际如何没有具体算过)。

隐身

有些国家对隐身不太重视,如法国、英国。一些国家虽然不强调隐身,但其主要为本土作战,可利用地面雷达,多雷达配合对抗隐身飞机。因为隐身飞机上下表面 方向隐身不好。如果采用雷达网,隐身飞机总难免飞到敌方某一个雷达的下方。现在反隐身用长波雷达联网,或用超视距雷达。

像F-22 那样,机载雷达间歇发射也会利于隐身。过去F-15的机载雷达天线平时折返90°横过来,对隐身也起作用。隐身还有方位的问题,要看军方要求。比如是要求 360°,还是只要求正前方,对尾后没有要求。后机身隐身,主要是推力矢量喷口如何隐身。俄罗斯T-50这方面好像不太重视。军方和研制单位要视需求,而 决定值不值得在此花钱并付出重量、复杂性等的代价。

隐身有几种方法。第一叫几何隐身,如机翼各翼面前后缘互相平行,让反射波都向一个方向(很窄角度范围)发射:减少开缝,开缝地方用锯齿形(让雷达反射波不规则)等,有缝的部位最好用隐身胶带封住。

第二是涂料,但有三个缺点。过去一种涂料只对某一波长起作用,可以涂多层,但会带来飞机增重(有的增加二三百千克),所以研制涂料时比较注意减少单位重 量。隐身涂料喷涂要控制喷涂厚度,比如某一涂料只有喷涂特定厚度才对某一波长起作用,否则会效果很差,非常麻烦。现在只在重点部位喷涂。隐身涂料怕潮湿, 一下雨就会破坏隐身效果,维护起来很麻烦。因为涂料含金属粉,遇潮会失效。此外,还有一个附着力问题,涂料要不容易由于机体经常性轻度变形而脱落。座舱盖 要镀透明金属膜才起到隐身作用。

第三是采用复合材料。对提高隐身性能而言,飞机使用复合材料越多越好,可是现在一些承重部件(如加强框)无法用,还存在战损修理困难等问题。

第四是结构,比如B-2机翼前缘内部为隐身结构,以散射雷达波,但带来制造困难。结构上还有采用S形进气道、武器舱一定要内置等要求。至于武器舱盖设计似乎并不是很重要(有人认为可以把盖设计成推拉式),因为武器发射瞬间也会破坏隐身。

第五是等离子隐身。理论上飞机覆盖上一个电离层,可以隐身,但要产生那么高的等离子体需要很大功率的能源,现在
看来战斗机不可能带那么大的能量源。如同美国下马的机载激光武器(ABL)一样,军方认为要实用,功率还要增加一倍,但ABL的载机波音747已经是很大的飞机了,所以下马也是因能源问题,现在只留作为科研项目。

超机动

超机动严格说叫过失速机动,即失速时还可以机动,就是迎角超过失速迎角,例如30°还可以做动作。大多数飞机空气动力舵此时都不太起作用,所以超机动一 定要靠推力矢量。因此超机动最大关键是气动设计和推力矢量。一些验证机气动设计很好,但推力矢量在试飞时没装,等以后矢量技术成熟后再加装就可以获得超机 动能力。

美国在早期ATF项目招标,YF-22与YF-23竞争,在决定飞机构型时做过各种试验,得出一个结论——鸭翼布局,在超音速机动时比平尾布局要好得多,但是后来综合考虑设用鸭式布局。

其它一些问题

倾斜垂尾第一,越小对隐身越好:第二,垂尾最好不要加方向舵,对隐身不利,第三,能差动最好,可以起减速板的作用。如果推力矢量不完全够用,差动垂尾对 操纵也有好处。原来有的飞机全动垂尾超音速时太灵敏,容易失控。所以超音速时还是有方向舵好,因为不太灵敏。超音速时垂尾锁定不动,靠方向舵,到小速度时 全动。但操纵系统牵涉到自动化技术,由于技术进步,即使超音速时全动垂尾再灵敏,现在也可用计算机控制其灵敏度。

横向机动可以靠差 动平尾或鸭翼。而很多时候垂尾除对方向安定性作用比较大外,对操纵性作用不是很大,很多飞行员甚至不蹬舵,完全用副翼代替垂尾。差动垂尾还有一个很大好处 是可以起减速板作用(在飞机无减速板或减速板很小时),减少着陆滑跑距离。此外,飞机横滚时,坡度七八十度,垂尾相当于平尾的作用。

蚌式进气道(也称DSI进气道)首先是超音速时有好处,简单、减轻重量,鼓包可将附面层分离出去,不必用隔板。早期鼓包很简单,现在也许可调整鼓包的位 置高度,配合进气口边缘倾斜来提高超音速进气效率。前缘形状斜一点、歪一点,以获得不同的效果。进气道设计,如果不追求较高的飞行M数(如M数2.0), 完全可以用不可调进气道。如果追求较高的飞行M数,就用可调进气道。早期很多机型都是可调进气道,后来发现太复杂,又增加故障率、维修时间和重量,到F- 16就采用不可调的了。总之要综合平衡,不要求M数2.0,就可以不用,F-22就是不可调进气道。

复合材料其缺点一是价格比较昂 贵,二是战损修复能力很差。比如被打一个洞,修复能力与金属材料相比很差。好处是轻、隐身效果好。F-22早期ATF计划提战技要求时,要求全机结构 60%采用复合材料,最后只有26%。现在似乎没有哪种作战飞机主要承重隔框、受力梁用复合材料。因为一旦受伤损坏,很难修复,飞机甚至报废。所以要根据 研制国家的情况综合考虑,得出一个最好的材料使用方案。

鸭翼、腹鳍不一定非常影响隐身鸭式布局比水平尾翼布局超音速机动性好得多。 如果鸭翼用复合材料制造,鸭翼不乱动,隐身影响就有限。主要是鸭翼与机身间那条缝对隐身影响较大。此外,隐身和雷达探测距离是开四次方的关系,减少雷达反 射截面积到原来的百分之一,雷达有效距离减小不到70%。比如一架飞机雷达反射截面积是5平方米,缩小到其百分之一——0.05米/,雷达探测距离理论值 只减少68.4%。如果继续努力,付出更大代价把雷达反射截面积减少到0.01米2,即原来的1/500,雷达探测距离理论值只减少78.9%,收获越来 越不明显。所以总师会综合衡量,考虑是否采用鸭翼,影响多大。

腹鳍会不会破坏隐身是和垂尾差不多的道理,只能说腹鳍会对隐身略有影 响。当然隐身飞机最理想是没有垂尾、没有腹鳍。如果是验证机,可以先装上腹鳍,今后也可以将其减小甚至去掉。米格-29就没有腹鳍。没有垂尾要有替代方 法,一般靠差动副翼。但现在除了飞翼布局的轰炸机外,所有战斗机都有垂尾,因为去掉垂尾后,其机动操纵性不够好。

 

 

 

 

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