解放军最新型歼10战斗机

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歼-10观察

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方方

第二部分

2006年12月,多年来传说中最神秘的国产战机歼—10,终于公开亮相。对于这种国产先进战机,电视台、军事杂志均作了重点报道。虽然并非完全解密,但有些话终于也可以说了。以下,笔者将根据公开照片和视频资料,结合多年的学习、观察心得,说说笔者眼中的歼-10战机。

  热门作战飞机:
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定位

要想正确了解一种飞机,就必须清楚这种飞机的定位,否则很可能“差之毫厘,谬以千里”。举个简单例子,曾经被神话也曾经被贬得一钱不值的米格-25P—— 如果以同时代歼击机的标准来衡量,很容易就可以得出该机盘旋性能很差的结论;再进一步推论,盘旋性能这么差,这种飞机的设计必然有问题。可问题是,米格- 25P本身就是作为截击机设计的,又如何能够以当时歼击机的标准来衡量?

那么,歼-10的定位是什么呢?很遗憾,没有任何报道提及这一点。严格来说,这应该属于飞机立项时设计需求方面的内容,以我国的保密制度来看恐怕到歼- 10退役以后也未必会公开。不过,如果仔细观察,我们仍有许多蛛丝马迹可循,在此基础上作出的推测虽不一定完全准确,但也不会完全脱离事实。

很多同好认为歼-10必定是一种纯粹的制空歼击机。其主要理由是,作为中国空军未来主力歼击机,歼-10必须具备非常出色的机动性才能适应未来战场需要。言之有理,并且也有历史事实依据——即堪称第三代歼击机经典之一的F-15歼击机。相信所有的航迷都知道“没有一磅重量用于对地攻击”这句口号,也不会忘记:正是这样一种设计思想将FX锻造成了机动性出众的F-15。从主观角度来说,包括笔者在内的大多数中国航迷潜意识里都希望歼-10能够成为中国的F- 15,即使无法与F-22这种第四代歼击机比肩,至少在机动性上能够胜过多数第三代、三代半歼击机。

不过,可能很多人都忽略了这样几个事实:

1, 80年代末,美国空军提出了不少F-15改进方案,核心目标是为F-15C/D增加对地攻击能力,只是因为F-15E已经开始服役以及经费等多方面因素的影响,这些方案最终放弃。这一事实表明,作为一支攻击型空军,美国空军高层对其主力歼击机没有对地攻击能力始终耿耿于怀;另一方面,美国空军也认为,以第三代歼击机的技术水平而言,增加对地攻击能力不会象第二代歼击机那样导致飞机机动性的严重下降。

2,美国F-22歼击机虽然是作为专用制空歼击机研制的(ATF研制历程中定位也几经转变,笔者以为当时将其定位为专用制空歼击机,是为了满足空军降低造价和复杂程度的要求、以现役战机改型分担ATF的对地攻击任务的结果——详见拙作《败者为王》),但同样具备良好的对地攻击能力。最明显的事实是,这几年美国空军为了争取国会拨款而改变其编号以突出其定位(由F-22A到F/A-22A再回到F-22A),但飞机的基本设计根本没有改动。也就是说,无论“猛禽”的军方编号如何变化,它都不是F-15那样的专用制空歼击机。

3,歼击机黑手党对F-15、F-16的设计产生了重大而积极的影响,造就了一代名机,但不等于他们的观点就是绝对正确的。歼击机黑手党领军人物中,尤其以埃弗雷斯特·瑞奇奥尼的观点最为偏激。在他看来,只要在格斗中用不上的设备统统应该从飞机上拆掉。当年YF-16研制过程中他甚至认为只需要装测距雷达就可以了——要是这样F-16就成了真正的“纯”制空歼击机了。此公后来写文章抨击F-22,其出发点也是如此——该文被国内媒体广泛转载,作为F-22神话破灭的证据。其实,以歼击机飞行员的角度看,瑞奇奥尼的观点没有什么问题。但从空军高层的角度来看,一种纯粹的制空歼击机对于空军整体作战力量很可能是弊大于利——空军的价值体现在对地攻击(也就是行使制空权),但纯制空歼击机无法完成这个任务,还要挤占攻击性机种的预算和编制,这对于攻击型空军来说是很难接受的。当年F-15能够强调“没有一磅重量用于对地攻击”,除了歼击机黑手党推波助澜外,对米格-25性能的误判也是一个重要的因素——饶是如此,F-15仍然在空军高层的强烈要求下突出了高速性能,以适应防空需求(详见拙作《夺取绝对空优》)。

总之,在同样技术水平下,一种定位为专用制空歼击机的飞机应该具有较好的机动性,但机动性并非影响空军决策的唯一因素,空军对自身角色的定位、作战理论的演变、作战力量编成、典型作战方式、对未来作战环境的判断等都将对作战飞机的定位产生重大影响。

歼-10研制始于80年代末,不妨来看看这时候的中国空军。

当时中国空军对自身的定位仍是防空部队和陆军的支援部队。歼击机部队的主要任务是防空拦截、打敌侦察机/轰炸机/歼击轰炸机/运输机,以及有限的对地支援任务。但也正是在这个时期,中国空军对提升自身作战能力和地位、改变传统定位开始有了一些模糊的看法,主要通过对美苏空军战略的研究、航空兵攻击/防御机种比例等方面的研究体现出来,虽然杜黑“制空权”理论仍是受批评对象,但攻击性思想已经初露端倪。十余年后,当时的空军司令员刘顺尧上将正式对外宣布中国空军将转向“攻防兼备”,其发端实际就始于80年代末。而研制过程贯穿中国空军战略转变时期的歼-10,不会不受到这方面的影响,当然也不会是非常明显的影响,毕竟一切都还处于混沌状态。也有同好指出,中国空军既然定位为防空军,就不可能要求歼击机增加对地攻击能力。但事实上恰恰相反:歼-6加装炸弹架、歼-7推出歼-7H改型、歼-8B增加拦射能力的同时增强对地攻击能力……即使没有攻击性理论的指导,仅仅是飞机效费比、支援需求与对地攻击能力的缺口这两大因素就足以促使中国空军采取这类措施了。

作战力量编成方面,需要考虑的是系统化要求和作战飞机退役补充的问题。80年代末,我们已经提出了初步的作战系统概念。其中,空空作战系统由歼击机和一定数量的保障支援飞机构成;空地作战系统由歼击轰炸机、强击机、轰炸机和有较强对地攻击能力的歼击机以及保障支援飞机构成。不难发现,这个概念隐约有点“攻击型”空军的意味在里面。作为当时唯一一种在研的新一代歼击机,歼-10必须同时兼顾空空作战系统和空地作战系统的要求(也就是作为“有较强对地攻击能力的歼击机”)。从作战飞机汰换的角度考虑,到21世纪初,随着歼-6、歼-7、强-5早期型大批退役,中国空军现役歼击机/强击机数量将急剧下降。用新战机一一替换是绝无可能的,唯一的出路就是全面提高新歼的作战能力,尽量满足多方面的需求。不过,既然我们用“有较强对地攻击能力的歼击机”这个概念和歼击轰炸机相区别,那就意味着这种歼击机的设计重点仍是保证机动性,但期望通过各种手段在机动性损失不大的前提下明显提高对地攻击能力。

80年代的中国空军作为一支典型的防空部队,截击防空是其主要“业务”。那个时候中苏关系仍未解冻,苏联空军图- 22M超音速轰炸机对我空防构成极大威胁,是中国空军的一块心病。和格鲁曼合作改装歼-8B的“和平典范”计划就是为了加强北方空中防线。在这种背景下研制的新一代主战飞机,对其高速截击能力的要求自不待言。当年中国空军曾经考察过F-16A和幻影2000B,对比结论是幻影2000B略优于F-16A,而主要理由是幻影2000高速飞行性能好,能发射中距拦射弹。考虑到这种评估的目的是为引进或仿制生产作准备,就不难看出中国空军对新歼的高速截击能力重视到了何种程度。

当时中国空军对新一代主战装备的要求是:在主要战术技术性能方面,除了应具有能适应现代战争环境的先进性外,应着重强调适应空军的战略战术特点和作战使用要求,具有中国特色,即:机载武器威力大,机动性能好,适应性强,耐用可靠,维护简便,价格适中;不过分、单纯地追求技术的“新 “和单项性能指标的“高”。这是一个比较理性而均衡的要求,类似于诺斯罗普的均衡设计思想。虽然要求中也有提到机动性,但单纯追求机动性的极端做法显然也是与此思想相悖的。

综合以上因素,从需求角度看,笔者认为歼-10的定位是:重视高速拦截性能与机动性能,具有较强对地攻击能力的歼击机。 2001年《参考消息》首度转载《东方日报》文章、证实歼-10存在时,笔者曾依据当时报道的最大起飞重量推测歼-10定位属于歼击轰炸机,本意也是指该机具有不错的对地攻击能力。两厢比较,应该说空军特别定义的这个歼击机子类更适合歼-10的定位。

而从现实角度看,飞机定位与其设计特点密切相关。歼-10的超音速可调进气道、经过优化的鸭式布局、多个机身挂点等特征也印证了这一推测。通过对歼-10细节的研究,我们还可以找到更多的蛛丝马迹。

总体布局

随着歼-10的公开,“近距耦合鸭式布局”这个词在中国军事媒体上可谓红极一时,就连平时对军用飞机不甚“感冒”的同事也会冷不丁冒出来一句“近藕鸭式”,唬得人一愣一愣的。

于是,便有了这样两个问题:近藕鸭式布局是不是最好的布局,比正常式边条翼布局还要好?采用近藕鸭式布局的歼-10是不是比采用其它布局的飞机机动性更好?笔者不止一次被问到这些问题。虽然就笔者对歼-10的感情而言,也非常希望回答两个“YES”,不过很遗憾,在现实中这两个问题根本就没有答案。

俗话说,“条条大路通罗马”,飞机总体布局选择也是一样。当使用方提出了设计需求之后,设计方可以有多种布局供选择。这些布局各有所长,也各有所短;可能可以满足使用方的所有要求,也可能只能满足大部分要求(这种情况是最多见的)。飞机总体布局的选择过程,就是设计方结合设计需求对各类布局的权衡取舍过程。影响决策的因素很多,但归根到底就一条:以设计方和制造方所掌握的技术,能够实现使用方的要求。所以,无论是对设计方还是对使用方来说,没有“最好的气动布局”,只有“适用的气动布局”。

50年代军用飞机冲击2倍音速的时候,大后掠三角翼也曾经大受美国军机厂商的推崇:康维尔F-102/F- 106系列,共和XF-103,北美XF-108(最终构形为双三角翼)都选择了三角翼。但大后掠三角翼飞机始终没能赢得美国空军的欢心。是不是说大后掠三角翼飞机就不好呢?这显然没法解释同时代的幻影III和米格-21为何大受欢迎。其实关键就是大后掠三角翼布局(无论无尾式还是正常式),无法满足美国空军的作战需求。在发动机推力不足而又追求最大速度的年代,大后掠三角翼波阻小的优势的确诱人;但当发动机推力不再成为限制飞机最大速度的障碍后,大后掠三角翼对美国空军来说就没有多少吸引力了,反倒是其固有缺点给美国空军一向注重的航程和载弹量带来严重的负面影响。也就是说,美国空军主流战机将大后掠三角翼拒之门外,不是由于这种布局“好”或者“不好”,而是其它布局更适合美国空军的作战需求。当然,对于其它发动机水平滞后的国家,或者不象美国那样强调远程遮断的空军来说,幻影III和米格-21依然是相当不错的选择。

至于飞机的机动性,本身定义涵盖范围就很广,影响因素也有很多,根本无法作出“因为采用了近藕鸭式布局,所以机动性好”这样的结论。即使是在相同技术水平条件下设计出来的不同布局的飞机,也只能说表现各有所长,需要按用户需求进行取舍。

因此,歼-10的总体布局选择,并不是简单的一个“好”字就可以说明的。让我们来看看这样一些事实:

1)鸭式布局的历史和人类航空史一样长,近藕鸭式布局出现于1962年(瑞典Saab-37),以年代来说都不是新鲜事物,后者更不是所谓“三代半”歼击机的特有布局。

2)鸭翼产生正配平升力的说法是有前提条件的,即这种飞机是静稳定的,或者在当时状态下是静稳定的(如超音速状态)。而对于处于静不稳定状态的飞机(放宽静稳定度的现代歼击机进行大载荷机动时往往就处于这种状态)来说,其对比结果恰恰相反:鸭翼产生负配平升力,而正常式飞机的平尾产生正配平升力。也就是说,鸭式布局的升力优势在这种状态下可以说是不存在的。

3)鸭式布局的应用主要有3个目的(可并存):利用鸭翼正配平升力提高全机升力,这一用途多见于早期鸭式飞机和现代轻型飞机,如美国寇蒂斯XP-55,南航AD-100轻型飞机;解决或缓解超音速配平问题,给飞机俯仰操纵面卸载,减小超音速配平阻力,如美国北美XB-70;利用鸭翼对机翼的有利干扰大幅提高飞机相关性能,即近藕鸭式布局,如瑞典Saab-37。对于第一种目的,国内70年代曾经做过相关研究,即“抬”式布局。但这一布局的问题是:如果鸭翼升力不大,那么全机升力收益非常有限;如果要求鸭翼升力明显增大,那么对机翼的下洗也会加大,从而抵消相当一部分收益。在这种要求下按照常规设计的鸭翼,其尺寸/重量/阻力以及操纵系统的功率也会大幅增加;如果希望以动力增升方式增大鸭翼升力,气动干扰就是一道巨大的鸿沟——迄今为止没有一种以此概念设计的飞机成功过,洛克韦尔XFV-12是失败得最彻底的,即使采用低置鸭翼也未能解决不利干扰问题。国内的研究最后也不了了之。

4)近耦鸭式布局的主要优点是:能与机翼产生有利干扰,推迟机翼气流分离,大幅度提高大迎角升力,减小大迎角阻力;通过采用主动控制技术(ACT),可以减小鸭翼载荷,对减小配平阻力和提高配平升力有利;对重心安排有利;配合大后掠三角翼,纵向面积分布较好,机身后部外形光滑流线,超音速阻力小;更容易实现直接力控制,对提高对空/对地作战效能有利;低空操纵性较好,鸭翼位置靠近飞行员,有利于阵风抑制系统的应用。但其缺点也是明显的:鸭翼在大迎角/鸭翼大偏度时有失速问题,一般采用大后掠小展弦比设计以缓和这一问题,但也造成鸭翼升力系数降低;起降及大过载机动时受鸭翼配平能力限制,不能使用机翼后缘襟翼或只能采用很小的偏度——鸭翼采用大后掠小展弦比设计更加剧了这一问题,如果采用加大鸭翼面积的方法,又会加强鸭翼对机翼的下洗,导致机翼升力损失,只能采用静不稳定设计缓和这一矛盾;采用ACT和亚音速静不稳定设计时,由于存在大迎角低头操纵力矩的要求和鸭翼载荷过大带来的配平阻力增大和最大配平升力降低的问题,和正常式布局相比,鸭式飞机往往不能采用太大的静不稳定度,从而影响其优势的发挥;横向操纵效率不高;同时鸭翼的存在不利于飞机隐身——对于一种强调高机动性的歼击机来说,鸭翼的位置、大小、平面形状很难和隐身要求统一在一起。

5)和正常式边条翼布局相比,近耦鸭式布局的长处在于超音速阻力小,这主要得益于大后掠三角翼、无尾构形和鸭式布局带来的良好纵向面积分布特性;但在涡流增升、放宽静稳定度、外挂点布置、大迎角操纵性等方面,近耦鸭式布局都不见得有优势甚至可能处于劣势。从这个角度来看,影响歼-10选择近耦鸭式布局的原因:一是中国空军特别强调超音速性能;一是当时设计方的技术储备主要集中在近耦鸭式布局;或者两者兼而有之。对于第一点,其实可以从上文定位分析中得到印证。而对于第二点,外界本来是很难了解的,不过幸运的是我们有一个很好的参照物——今天的FC-1,当年的超-7。超-7项目启动时间比歼-10略晚,基本上代表了成飞从80年代末到现在所掌握的正常式边条翼布局相关技术水平。换句话说,如果当年歼-10选择的是正常式边条翼布局,那几乎就是放大版的FC-1。只需看看FC-1能否满足中国空军当年的需求,就可以知道当初选择近耦鸭式布局是否有边条翼技术储备不足的因素在内了。

6)根据公开报道,歼-10和早期的歼-9VI-II有一定的技术继承性。我们知道,歼-9VI-II属于高空高速歼击机。这种飞机采用固定鸭翼设计,主要原因之一就是为了高速配平,为升降副翼卸载,从而减小超音速配平阻力,改善高速性能。作为后继者的歼-10,又同样面临高速拦截的要求和发动机瓶颈的制约,在布局选择上不可避免地会受到前辈的影响。也就是说,歼-10选择近耦鸭式布局,是考虑了高速截击及相关状态下配平和机动的要求的。

在考虑了以上事实之后,笔者有如下推测:歼-10立项的时候,距歼-9下马不过几年时间。将歼-10的定位和歼-9的设计指标相比,再结合中国空军对新一代主战装备的要求,基本可以确定:歼- 10降低了对高空高速飞行能力的要求,提高了机动性的要求,并增加了对地攻击能力的要求。要满足高速拦截的要求,正常式边条翼布局对发动机的要求更高,因为超音速阻力(包括配平阻力)相对较大;要满足高机动性要求,正常式边条翼布局和近耦鸭式布局在同等技术水平下表现相当;要满足对地攻击要求(在当时来说主要是载弹量、挂点、低空飞行性能),正常式边条翼布局和近耦鸭式布局各有所长,而且在不明显影响机动性的前提下,这方面要求所占的权重其实是比较小的。考虑到当时中国发动机水平的落后,以及成飞当时在边条翼相关技术储备方面的不足,近耦鸭式布局显然是最能够“以设计方和制造方所掌握的技术,实现使用方的要求”的选择。从投入产出比和技术风险的角度来看,在歼-9技术基础上经过重新设计,结合新开发和引进的技术设备,研制一种新的鸭式飞机来满足空军要求,也是一个非常合理的思路。

雷达罩和前机身横截面

就功能来说,在保证飞行器气动外形前提下,雷达罩应能保证其内部的雷达部件免受任何形式的损伤;同时,雷达罩还应能满足当雷达工作时,罩体的存在基本不影响雷达的探测性能。就气动而言,雷达罩的外形直接影响前机身,并进而影响飞机的气动特性。所以雷达罩的外形实际上是飞机气动特性与雷达罩本身力学、电磁等特性以及雷达罩加工工艺等多方面因素折中的结果。

在雷达罩加工工艺允许的前提下,当雷达电磁特性要求较宽松时,设计人员可以考虑调整雷达罩的外形,使飞机在预定的方面获得更好的性能。YF-16是这方面的典型。由于准备安装的是AN/APQ-159(也就是F-5E的雷达),允许采用椭圆形截面的雷达罩,为该机前机身布置提供了良好条件。得益于此,YF-16才能够将前机身下表面作为进气道预压缩面,改善飞机的进气性能。这一设计带来的其它影响有得有失:大迎角时方向稳定性较好;横向稳定性在中等迎角范围突然失稳;俯仰力矩有上仰趋势;等等。按YF-16的设计要求,这笔账应该是黑字。不过,在YF-16上表现出色的设计不见得就适用于其它飞机。

从公开照片判断,歼-10的雷达罩选择了最常见的正圆(或近似正圆)截面。这种雷达罩的设计、加工都相对简单,但一个显而易见的结果就是前机身下表面很难过渡为一个平面以提供进气整流压缩功能。这也是有些评论认为歼-10设计不如F-16之处。

就这个设计本身来说,F-16的前机身做到了一物多用,的确漂亮。但如果综合考虑对全机的影响,答案就不那么简单了。歼-10当前的圆形横截面前机身对飞机气动方面的影响是介于横椭圆截面和立椭圆界面之间,也就是说好的没那么好,差的方面也没那么差。这对鸭式飞机来说,这种折中的结果不见得是坏事。比如横向稳定性失稳、俯仰力矩上仰,都是放宽静不稳定余度的歼-10必然会面对且必须解决的问题。横椭圆截面前机身设计必然会加大解决问题的难度。换个角度看,假如歼-10实现了F-16那种前机身设计,那么会有哪些收益呢?提高进气性能基本谈不上,因为歼-10本身就采用了多波系可调进气道,效果比之只有前机身一级压缩的F-16更好。减轻进气口结构重量可能性也不大,虽然前机身可以起到一级固定斜板的压缩作用,但取消了一级固定斜板,二级可调斜板装哪里呢?总不能直接铰接在进气唇口上吧。最后一个可能的收益来自大迎角方向稳定性。横椭圆前机身大迎角时方向稳定性较好,因此在垂尾有可能得益于此而减小,从而减小阻力和重量。不过对于歼-10这种重视高速飞行性能的飞机来说,高速段的方向稳定性对垂尾的要求也是比较苛刻的,如果对垂尾面积的要求大于前者,那么这一收益也就不存在了。所以,就歼-10当前的设计来看,采用横椭圆前机身截面并没有带来明显的收益,充其量得失相当。在这一点上和F-16进行比较也就没什么意义了。

大气数据传感器

相对于之前研制的歼击机/歼击轰炸机,歼-10的脑袋上多了几根“刺”,其中既有传统的气动补偿式机头空速管,也有新研制的L形大气数据传感器。虽然看起来并不起眼,但它却是一个振奋人心的标志——这意味着中国航空在大气数据测量与应用方面有了质的提高。

长久以来,中国飞机的大气数据测量技术一直落后于世界先进水平。在国产飞机上,我们最常见到的几种传感器包括:直柄型空速管(歼-7B),带支座的直柄型空速管(歼-7E),气动补偿式机头空速管(歼-8B),还有经常作为备份的L型全压管,但就是没有L型全-静压管。就基本测量原理来说,L型管和前述3 种空速管并无差别,只是安装位置有所不同。不难发现,前述3种空速管都是通过支杆将动/静压传感器远远伸出机头之前,以尽可能减少来自机身的干扰——其中气动补偿式机头空速管由于距机身较近,干扰较大,需要通过气动补偿型面来解决。而L型全-静压管是直接装在机身侧面的,干扰因素众多,情况复杂,静压测量误差相当大,已经无法通过气动补偿来解决。要解决静压测量误差问题,就必须综合考虑所有的干扰因素(例如F/A-18在修正静压误差是就需要用到:指示静压、指示全压、自由流静压、局部迎角、局部侧滑角、前缘襟翼位置、后缘襟翼位置、加油管位置、起落架位置等9个参数),即所谓的计算补偿。这不是通过机械转换能够解决的,必须引入计算机系统进行运算处理。此外,L形全-静压管对传感器加工精度、灵敏度等也提出了很高的要求。我国长期以来在大气数据测量技术方面徘徊不前,很大程度上就是因为静压测量技术无法突破。

值得高兴的是,歼-10脑袋上那新研制的L形大气数据传感器清楚地表明:我国静压测量技术已经获得突破,大气数据测量技术从此上了一个新台阶。其实如果从时间上来说,首先应用新型L形大气数据传感器的飞机可能是歼轰-7。该机机头右上方的L形传感器不是传统的L形总压管,考虑到该机传感器配置和功能方面的需求,很可能就是L型全-静压管,在功能上或单独作为备份系统、或和机头气动补偿式空速管互为备份)。

再回头看歼-10。脑袋上这么多根刺,说明一件事:该机配备了大气数据计算机——其实从电传飞控系统的要求来说也是必须配备的,不过这里是从传感器的角度来证实——这些传感器就是针对大气数据计算机的输入数据余度要求设置的。观察传感器配置,我们可以推测:机头气动补偿式空速管至少提供全压、静压两个输入参数;机头外下侧左右对称安装的两个较大的L形传感器提供一对全压、静压参数,加上其对称安装,其测得的静压参数可用于解算侧滑角(飞机侧滑时引起静压参数不对称变化);机头下侧偏左安装的较小的L形传感器应该就是传统的L形总压管,提供一个全压参数(推测为备份);机头两侧雷达罩边缘以及右侧机身风挡下方的3个风标式传感器提供3个迎角参数。以上计有全压参数4个,静压参数3个,迎角参数3个。参数数量已满足大气数据传感器至少三余度的要求,但考虑到备份要求,还缺少1个备份静压参数。在机头右侧靠后的那个迎角传感器上方,有一个不明用途的黑色圆形区域,笔者推测可能就是用作备份的机身静压孔阵列。

虽然歼-10在大气数据测量方面进步不小,但是我们也必须看到,其大气数据传感器和第三代歼击机相比仍有不小的差距。外观上最明显的差距就是个头偏大。这主要是L形传感器自身的干扰引起静压测量误差,为了减小干扰只能把杆体做得大一点,以空间换精度。当然,也可以通过改进测量手段、提高加工精度来减小体积 ——这就是我们接下来需要做的事情。另一个主要差距的外在表现是传感器数量过多。按前面统计,歼-10一共装了8个作用不同的大气数据传感器,而F/A- 18只装了2个L形多输出大气数据传感器和2个静压探头就解决了问题。事物的发展总是螺旋型上升的。传感器数量由少到多是个跨越,因为这标志着计算机化的大气数据采集/处理系统的实用化;而传感器数量由多到少则是另一个跨越,因为这标志着大气数据测量手段的进步,测量精度和可靠性的提高,以及系统集成能力的提高。

对歼-10来说,近来有两个好消息:1)成飞于今年2月份公开推出其与THALES公司合作生产的多功能探头,如果成功应用于歼-10,那它脑袋上的刺就可以少几根了。2)3月交付巴基斯坦空军的FC-1预生产型已经取消了机头空速管,很多人认为那就是应用多功能探头的结果,笔者以为不然:一是飞机上找不到新探头,二是时间来不及,机头空速管取消更可能是系统集成度提高的结果。不论如何,这些改进都可能在新批次的歼-10上得到应用,也是值得庆贺的。顺便提一下THALES公司,笔者接触过该公司的一些产品,总体感觉是:设计精巧,集成度高,可维护性好,但就是贵。一个带LED指示灯的按钮,售价近100 美元,偏偏还没法分解,LED灯一坏就要换个按钮,家底不那么厚实的用户估计要捶胸泣血了。从这个角度说,装备先进战机的空军其实就是黄金堆出来的。

座舱

根据照片估算,歼-10的正前方下视角介于苏-27和F-16之间,在中国空军现役歼击机中高居榜首。

正前方下视角能够超过苏-27实在不容易——虽然苏-27机头明显下垂,但其实仍未达到前苏联歼击机下视角的相关标准。歼-10能够取得这样不错的视界,一是得益于飞行员座椅高度提高(但仍不及F-16,这也是歼-10下视角不如F-16的主因),二是由于机头有一定幅度的下垂(如果取消下垂估算下视角可能会小1~2°),三是座舱前的机头长度相对较短(只是相对苏-27而言,其实和F-16差不多)。

这些改进看似独立,实则牵一发而动全身,并不是轻易可以取得的。

要抬高飞行员座椅,首先要解决的就是风挡强度问题。座椅提高,风挡迎风面积加大,气动压力加大。特别是歼-10低空最大表速设计指标相当高(国产飞机低空最大表速纪录也是它创下的),对风挡要求更高。如果风挡强度不足,没达到那个速度风挡就已经报销了。其次,风挡迎风面积加大,相应阻力也会增大,尤其是超音速阻力,在发动机推力一定的情况下,必须要对视界和飞行性能作一个折中。第三,飞行员座椅提高必然导致座舱增大,这会引起飞机方向稳定性下降,必须加以补偿(典型措施是加大垂尾面积或增加腹鳍),而由此引起的重量和阻力增量则是必然要付出的代价。

要实现机头下垂设计,就要付出零升俯仰力矩增大的代价。超音速时零升俯仰力矩严重影响飞机的配平阻力,要实现机头下垂又要强调高速性能的飞机,必须保证发动机有足够的推力克服由此而来的阻力增量。当然,机头下垂还将对飞机性能带来其它方面的影响,不过由于歼-10机头下垂量不大,这些影响也相对有限。

至于座舱前的机头长度,很大程度上受雷达的影响,再深入一点说是受雷达相关电子技术水平的影响。技术水平一定的情况下,要获得更远的探测距离,最直接的办法就是加大雷达天线——机头长度、直径自然也就跟着水涨船高。当视界需求与雷达需求发生矛盾的时候,设计人员就必须权衡轻重加以取舍——通常视界都是输家。

歼-10的上半球视界也不错,从公开照片推测,上半球视角在300°以上。座舱盖隔框上呈“品”字形布置有3面后视镜,用于辅助观察。其实后视镜与其说是辅助监控盲区,不如说警示的作用更大一些。对于空战格斗双方来说,除非一方已经取得压倒性优势,否则都会有较大的视线角速度,即使出现在后视镜也是一闪即逝,唯一作用在于让飞行员确定下一个搜索区域时更有目的性。当然,如果目标长时间稳定在你的后视镜内,又处于武器有效射程,那么你只剩两件事可以做:一,祈祷座舱不要被打到;二,准备跳伞。

生产型歼-10在座舱盖后紧接一个低矮狭长的背脊,一直延伸到垂尾根部。或有看法认为,背脊沿袭自二代机,属于“落后”设计。窃以为不然。背脊的作用,可以在飞机横截面积增加有限的情况下提供更多的容积,尤其适合布置管线及其它小体积设备;气动方面,背脊可以缓和座舱盖后飞机横截面积变化,有利于减小阻力。不过,和其它飞机不同的是,歼-10的背脊出现是个渐变的过程。早期原型机的背脊自机身中部刀状天线处开始隆起并延伸至垂尾;后期原型机的背脊则向前延伸连接座舱盖后部;生产型的背脊在紧靠座舱盖后部位置又多了一个白色整流罩(此处背脊似有加宽),显然有新增设备。从变化情况推测,早期背脊修改可能是出于整流减阻的考虑,生产型的变化则是对富余空间的再利用而已。

进气系统和发动机

如我们所知,可调超音速进气道对于最大M数在1.8以下的歼击机而言意义不大,反而增大了重量和结构复杂性。所以对飞机高速性能没有特别要求的歼击机一般多采用固定式进气道。F-16是强调格斗空战而放弃了高速要求,虽然按照正激波进气道设计,但由于前机身的预压作用,在一定程度上接近二波系进气道。EF2000强调超音速截击和机动性,为减轻重量,采用固定斜板+可调下唇口构形,实际上是一种折中设计。F-22则应用了先进的CARET进气道设计,一方面考虑隐形要求,一方面减轻重量和复杂性,比较适合其典型的超巡状态。

歼-10则采用了多波系可调超音速进气道。自第三代歼击机问世以来,以单发中型歼击机而采用可调超音速进气道设计的,并不多见。不惜增大重量、采用复杂操纵机构,以期重点改善M1.8以上飞行性能的设计,除了用户强调高速飞行性能外没有其它解释——这也从一方面证实了歼-10定位中为兼有高速拦截性能歼击机的判断。在第三代中型战机中,只有幻影2000和米格-29具有与之类似的设计特点。而当年我们对幻影 2000评价较高之处也恰恰在高速飞行性能方面。

从公开照片看,歼-10进气口压缩斜板上至少有一道铰链线,这意味着其进气道至少是三波系设计:铰链线前为一级固定斜板,之后为二级可调斜板,共产生两道斜激波,加上喉道处一道正激波,构成三波系压缩。当然,不排除压缩斜板上可能还有一道铰链线,即采用四波系设计的可能。不过以笔者的角度看,假如真要按四波系设计进气道,留给三级斜板的空间已经不多,可能性较小。

虽然前机身下表面的附面层已经通过附面层隔道排除于进气口之外,但压缩斜板上同样会形成附面层。这里正好是激波形成面,为避免发生激波-附面层干扰分离,必须在压缩斜板上采取某种附面层排除措施。从照片看,一级斜板上没有采取附面层排除措施,但铰链线处具有较大缝隙,不排除从此处抽吸一级斜板附面层的可能;二级斜板上则有明显的6列多行附面层抽吸缝(或抽吸孔阵列)。然后,来自压缩斜板的附面层经由进气口两侧的鳃状排放槽排出。为避免异物通过附面层排放槽进入进气道内,歼-10停机状态多会加盖盖板作为防护措施——这就是我们在多数公开照片上看到歼-10进气道两侧有三角形红色盖板的由来。航空报曾经有一幅照片,透露了歼-10进气口的细节。照片上,附面层排放槽并不是今天所见的鳃状,而更像是多孔式设计。从进气道上方加强支撑结构弦向仍平行飞机纵轴的特点来看,该机很可能就是歼- 10第01架原型机。结合附面层排放槽的蒙皮呈扭曲状、后来的歼-10第01架原型机照片上附面层排放槽改为鳃状设计等信息推测,可能多孔式设计是最早的附面层排放槽设计,但试飞结果不尽人意,遂改为现在的鳃状设计。

在了解了以上信息后,我们可以知道:歼-10进气道前部上表面、两侧壁和压缩斜板共同组成一个扁平狭长的空心结构,并且为了排除附面层而导致前部无法与机身结构连接。这样一个结构不利于受力,但要采用水平压缩斜板,就必须解决其受力问题。为避免进气道前部形变超过限制甚至发生颤振,在进气道构形不变的前提下,途径有三:一,采用新型材料,以确保进气口受力部件的强度和刚度;二,采用现有材料,不惜增大重量来确保进气口受力部件的强度和刚度;三,改变受力设计,加上辅助结构,减小受力部件对强度和刚度的要求,以保证在现有条件下可以满足之。相比之下,途径一更适合于作为预研项目,有利于长远发展,但对于单个飞机型号而言效费比较低;途径二最直接,但重量代价最大;途径三对设计功底要求高,而且如果辅助结构外露会对飞机RCS带来不利影响。

从歼-10的设计来看,设计人员显然是采用了途径三来解决进气道前部受力问题。6个“工” 字型支撑结构将进气道上表面与前机身承力框连接在一起,进气道前部所承受的相当一部分作用力通过支撑结构直接传递给机身承力结构,受力环境大为改善。很多人将歼-10进气道与F-16、EF2000相比,认为同样是腹部进气道而只有歼-10有加强结构,显然水平不如后两者。这种说法完全忽略了后两者的进气道前部结构与歼-10的差异。F-16没有压缩斜板,进气道上唇口前伸少许作为附面层隔板,又是实心结构,受力、传力要求要简单得多。EF2000进气道前部结构和歼-10有些类似,但最大差别是其弧形结构的压缩斜板,这种结构在受力方面相对有利,可以说设计人员也是采用了前述第三种途径来解决受力问题。不过这种设计更像是渐变改进的结果——对比EF2000的验证机EAP,我们就会发现其进气道前部结构与歼-10极其相似:同样的水平斜板,同样的加强支撑结构。EF2000最终演变成现在的设计,固然省掉了支撑结构,不过后果就是无法采用活动水平斜板进行调节——这与其原始设计并不相悖,所以可行,但歼-10却无法采用同类设计。

也有看法认为,歼-10进气道上部那6个“工”字型结构其弦向并不平行于飞机纵轴,所以可能是某种用途的天线。其实只要看看歼-10第01架原型机的照片就可以知道,那6个“工”字型结构的弦向最初设计就是平行于飞机纵轴的。就直观来看,弦向平行于飞机纵轴应该具有最小阻力,但附面层隔道斜板的存在使得附面层流向并非平行于飞机纵轴——笔者推测,正是这个原因使得后两排4个“工”字型结构的弦向改为与飞机纵轴成不等夹角,以适应附面层的流向,不致在此处产生紊流。这种设计也非罕见,米格I.44的进气道上部也有类似的斜置支撑结构。

在歼-10进气道右侧壁,航行灯后下方有一个L型传感器。在歼-8B飞机前机身右侧进气道前方我们可以看到类似的传感器。这是L形总压管,但不是为空速表等设备提供总压数据,而是为进气道压缩斜板调节机构提供数据的——歼-8B的进气道调节机制师承米格-23,压缩斜板偏转角是总压比的函数,这个L形总压管就是用于提供其中一个总压参数。现在,同样的设备出现在歼-10上,笔者推测,可能歼-10也沿袭了同样的进气道调节机制。若此推测不错,那么这个总压管的出现,还说明另一个问题:歼-10的数据综合处理可能仅限于飞控系统范围内,而距飞控-推力系统一体化还有一段距离,距飞控-推力-火控系统一体化的远景就更加遥远。理由很简单,歼-10已有多个大气数据传感器,如果已实现飞-推控制一体化,那么一个总压数据的共享就毫无问题。既然要独立设置一个总压管来获取参数,那就意味着至少在这两个系统间的数据交联共享仍未实现。不过,笔者的朋友对此持不同看法。朋友以为,在有数据共享的条件下,设计方仍有可能出于成本、进度等因素的影响而采取放弃数据共享、增设传感器的方法来获取数据,因此仅凭多一套传感器而推断无数据共享理由不足。此说亦有道理,因此记录于此供同好参考。

从正面照片可以看到,歼-10进气道从进气口开始就急剧向上弯曲。就可见部分而言,其弯曲幅度明显大于F-16、EF2000,这也是有些评论称歼-10在设计上强调隐身、采用S形进气道的缘由。我们知道EF2000是欧洲第一种对飞机前向RCS提出控制目标的歼击机,该机进气道尚且不需要这么大的弯曲度,歼-10采用这样的设计又为了什么呢?要么为了更好地衰减来自压气机的二次反射波,要么就是另有原因。对于第一种可能性的答案是否定的,因为隐身设计是对全机综合考虑的结构,在机身外部仍有多个进气管道和孔洞的情况下(空腔对RCS的贡献远比想象中大),却花大力气处理压气机的二次反射波,这样其实得不偿失。所以,歼-10的这种进气道设计在客观上有助于减少前向RCS,但其初衷却不是为了隐身。不过,不管目的如何,这样的设计带来的一个后果就是总压损失 ——而这直接影响到发动机的性能。我们知道苏-27的进气道并没有采用S形设计,并且采用了四波系可调进气道,那么在双方水平相当的情况下,即使歼-10 也采用了四波系进气道设计,AL-31F的装机推力也会比在苏-27上小。有公开报道提及歼-10试飞碰到一些问题,虽未明言,但从其改进措施来看都是减小飞机零升阻力的,针对的应该是大马赫数飞行——这些问题恐怕与进气道这种设计不无关系。

关于歼-10的发动机,这些年来进口AL-31FN的报道不断,无论从报道还是从照片来看,现在的歼-10采用AL-31FN这种俄制发动机是确定无疑的。不过对于歼-10原型机的发动机,却另有说法。笔者以为:就目前所见的原型机照片来看,其尾喷口特征和AL-31FN非常相似,而不同于“太行”发动机;就工程管理的角度来说,“太行”在2006年珠海航展上才正式宣布定型,其进度远远赶不上歼-10的试飞进度,而将一种未定型的发动机用于新机试飞是不可想象的——当年T-10试飞时AL-31尚未定型,早期原型机使用的是AL-21发动机。由此推断,“太行”装歼-10原型机的可能性微乎其微。

最近有报道指出,成飞正在全力以赴保障重点型号。就笔者个人推测,不排除这个“重点型号”就是装“太行”的歼-10的可能性。其实无论是从促进中国航空工业发展的大局出发,还是从保障空军战备的角度来看,歼-10换装国产“太行”是势在必行的。作为中国未来相当一段时间的主战飞机,如果始终依赖外国供应发动机,无论如何是说不过去的。但是,“太行”要想成为歼-10的首选发动机,还有些问题需要解决。前面曾提到,为了解决试飞中遇到的一些问题,歼-10自06架原型机开始采取了一些改进措施以减小零升阻力,其中重要的一条是:减小后机身直径,以致自06架以后的歼-10都只能容纳AL-31FN,而无法装下“太行”。这就意味着如果要安装“太行”,歼-10 就要恢复原来的后机身设计,相应的阻力也会增大。如果“太行”在相应状态下的推力超过AL-31FN,使得飞行性能至少不下降,而其它方面没有大的问题,那么“太行”装机就是铁板钉钉;但反过来,如果“太行”推力仅仅和AL-31FN相当甚至逊于对手,必然引起飞行性能下降,其下降幅度和空军能够接受的底线将决定“太行”能否成为歼-10的首选发动机。根据目前的报道,“太行”的地面静推力略大于AL-31FN,这算是个好消息,但对于其推力曲线外界仍然一无所知,一切将决定于最终的试飞结果。

歼-10的发动机将加装推力矢量喷管是一个流传了很久的传说。有种看法认为,歼-10不适合采用推力矢量喷管,因为其尾撑和垂尾根部整流罩阻挡了矢量喷管的偏转。为此,笔者特意在2006年珠海航展上仔细观察了带推力矢量喷管的AL-31F模型,特别是其喷管的偏转范围。根据笔者观察所得,结合已有的歼-10照片,笔者认为:尾撑对矢量喷管左右偏转没有影响;早期原型机的垂尾根部整流罩对矢量喷管向上没有影响,生产型因垂尾根部整流罩略有下垂,如果喷管处于扩散状态向上全偏转,可能会有冲突——但整流罩的设计并非是影响重大而完全不可修改的。所以,如果从歼-10后体设计来看,并没有可以迫使设计人员放弃推力矢量喷管的决定性因素。

笔者说近期内歼-10不会采用推力矢量喷管,其实另有它因。我国航空工业对推力矢量喷管的研究不算短,不过进展如何尚不为人知。至少到目前为止没有国产推力矢量喷管实用化的报道。如果要尽快装上矢量喷管,有三条路:一, “太行”装机成功后配装国产矢量喷管;二,“太行”配装俄罗斯矢量喷管;三,直接安装AL-31矢推型。就技术成熟度来说,途径三风险最小,但必然会对国产发动机的推广应用带来一定的冲击。但如果从效费比的角度来看,前述三条路都是不可取的。矢量推力喷管要想发挥最大作用,就必须在飞控系统控制律中整合对发动机各项状态的控制。否则,发动机推力轴线偏转不但不能带来预期的收益,甚至可能导致飞机超出安全飞行包线,结果根本是得不偿失。遗憾的是,前文曾提及,歼-10目前可能并未实现飞控-推进系统一体化。还有一点,发动机推力轴线偏转所带来的影响并不仅仅是某个轴上的控制力矩,很可能对飞机后体流场产生严重而意想不到的影响,并可能导致飞机控制律的修改。我国对这方面的影响到底进行了多少研究尚不得而知,唯一可以确定的是,由于没有推力矢量发动机,所以我们还没有进行这方面的验证机试飞。在这种情况下要在一种实用歼击机上安装推力矢量喷管,至少是不谨慎的。

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