结合当前顶级战机,深入评析典型气动布局与特色

来源: 释放它的美 2012-05-26 19:02:39 [] [旧帖] [给我悄悄话] 本文已被阅读: 次 (7143 bytes)

 

一直想写一个关于气动布局的帖子,特别是在看到了J20石破天惊的出世之后。

在进入正题之前,有必要先介绍一下三个名词:
静稳定布局:
气动中心在飞机重心的后方,而且距离越远,通过固定的翼面即可获得升力稳定性越高。

放宽静稳定布局:
气动中心在飞机重心的附近,包括重合,稳定性不确定,即姿态不可捉摸。要获得某种稳定飞行姿态,必须通过多个可动翼面活动获得所需要的配平力矩。
放宽境稳定布局最典型的气动翼面是小边条翼,以及可差动的全动水平尾翼

静不稳定:气动中心在飞机重心的前部,且距离较远,这种姿态是完全不稳定的,即自然状态下,无论如何都不能维持稳定飞行姿态。这种情况下,需要大面积全动翼面控制做升力与姿态稳定的配平,这种布局带来一个很大的好处就是主动机动-也即是飞机在任何一个瞬间都处于灵敏的可机动的状态。

静稳定布局的维持非常简单,一般来讲只要手动操作水平尾翼或者主翼活动面,给予一个小倾斜角度便可,同时由于其稳定姿态在一定范围内可以自主维持,因此当要做机动动作改变这种姿态时,需要很大的能量,即使这样,飞机对操作响应也是迟钝的。
这就是早期(美俄60年代以前服役)的普遍布局。随着电子控制技术的发展,多翼面的主动控制完全自动化以后,放宽静稳定布局飞机和静不稳定飞机的产生才成为可能。

下面选择几款气动布局有代表性的飞机:Su35,J10,F22,F35,T50,J20就气动特色做一些简单分析
另有一种特色战机S37(也即Su47,有坛友质疑,在此一并说明,S37的苏霍伊编号Su47,是一回事儿)因为纯粹验证机,不予讨论

Su35 虽然配鸭翼,但是小三角鸭翼对整个飞机的翼面面积比例,以及作用份额比较小来看,严格说更像是放宽静稳布局,而非静不稳布局,同时由于Su35的发动机是三维矢量发动机,赋予了Su35强大的全向机动能力。因此,即使与动力更强的F22相比较也差不到哪儿去,在垂直机动上比F22会略有逊色,而在水平机动上则旗鼓相当,甚至稍胜一筹。这是由于鸭翼的差动给予了横向翻滚更大的力矩的缘故。

J10,EF2000是两种相似但气动效果差异比较大的布局。J10的鸭翼相对主翼的位置属于中距耦合,主翼呈下反配置,通过强悍的电传操纵系统,达到了鸭翼的涡力利用与姿态稳定的完美配平,所以说J10是鸭翼布局的最完美实现者。与J10类似的是JAS39,JAS39当年在设计的时候在电传操纵系统的实现中受尽苦难,完全因系统故障坠毁两次,最后阶段花费在电传操纵上的时间达6年之久,最终在1993年实现量产。而EF2000属于远距离耦合,即鸭翼远离主翼,对主翼涡力影响几乎可以忽略,而阵风则是近距耦合,既提供了很大的升力,又带来明显的涡流紊乱的干扰。当进入跨音速或超音速段机动性会明显损失。EF2000与J10则能够在各个阶段都表现出色,尤其是J10,同样的中距耦合,间距比EF2000更大一些,是真正的中距耦合之王。如果不是成飞吃透了鸭翼布局,完全突破了电传操控的技术,要实现这种完美平衡绝无可能。
 
另外还要强调一点的是,鸭翼对隐形性能的影响到底有多大?JSF在初期也完整评估过鸭翼对隐身性能的影响,最终结论是鸭翼平面对隐身性能影响几乎为零,有影响的是鸭翼的翼根,也就是从机身探出,带动鸭翼活动的扁軸部件,这个影响其实也非常的小,只有在追求超过RCS0.01以上的隐身效果时才会表现出来。
 F35没有采用鸭翼的原因有三个,一个是F35追求多功能,特别是在对敌攻击,或者舰载机短距起降时要求低速状态下的稳定性,这方面鸭翼比传统布局没有优势,还会大大加重电传系统的工作量。第二,F35的发动机推力已经接近20吨,常规布局已经可以达到战术机动的要求。第三,美国人对鸭翼的研究与经验不如中俄,并未达到炉火纯青的境地。
 
F35的布局也属于放宽静稳定布局,但是由于强大的发动机,DSI进气道设计,以及强大的电子系统,已经把单发的传统布局的性能发挥到了极致。如果现有的国家不服气,力图在这种布局上搞出企图超越美国的设计那是万万不能的。这也就是美国强悍之处。F35的气动翼面包括:大面积的差动水平尾翼,进气口侧面边缘的长小边条翼,机头菱形边缘的小边条翼等等。再加上强悍的二维矢量发动机,保证了在水平和垂直方向上都很高的机动能力。

F22与F35有相似之处,属于放宽静稳定布局,F22机身粗短,尾翼很高大,在双发的传统布局上也已经达到了顶峰,没有国家能在传统布局上设计出气动性能超越F22的飞机了。F22与Su35比较,水平机动会略有逊色,垂直机动则胜出一些。因为他虽然没有鸭翼,但是发动机动力很强大,而且高大的尾翼也保证了横向瞬时机动的稳定性和敏捷性。
有兴趣的朋友可以看看几个顶级机动动作的对比。在垂直方向上,F22完成的更轻盈,而在水平方向,Su35则表现出了很好的连续敏捷性。但差别很小。http://v.youku.com/v_show/id_XMTE1OTYzNDE2.html

下面再谈谈T50,平心而论以目前Su35的雷达能力(探测距离400公里,是F22的两倍,90公里距离上可以发现F22),虽隐身性能差距过大,但导弹能力相当,甚至俄罗斯在超远程导弹具先发优势,足以对抗F22,为什么还要搞T50呢?
因为从长远来看,随着超远程导弹的出现和普及,隐身能力的优势将越来越凸显出来。而且美国的雷达水平非常高,如果需要可以随时搞出与雪豹抗衡的雷达。为了能全面压制F22,所以俄国人最终仍然需要T50。

T50的发动机推力与F22接近,空重超出较多,单位推力处于劣势,但他的强悍的气动布局赋予了T50比F22更高的机动能力,这种设计体现在几个方面:
第一是 自然状态下飞机的各个翼面之间完全没有间隙,从前前缘一直延续到尾翼后缘,像一个整体。呈薄型设计,机身下方也是如此,这种设计在相同的动力下会获得比F22更高的升力,而薄型设计在超音速段飞行或机动会更轻松。
第二是进气道的上边缘,采用了的全动宽三角形边条翼,这个翼面相当于一个相同面积的鸭翼,而且兼顾了边条翼的功能而更具优势,(也可以看作是Su35的小三角形鸭翼移到主翼的前缘)。再次,削尖菱形薄主翼,削尖近距耦合全动尾翼,可差动全动垂直尾翼。发动机侧旁腹鳍条翼,T50可动翼面达到了16个(主翼前缘1个,后缘2个,翼尖1个,尾翼和垂尾各1个,另有进气口处鸭式边条翼1个),其中大面积全动翼面达到了6个,这样的气动布局在飞行中的任何状态,在瞬间要做出任何机动动作都毫不费力。并且在隐身能力上比Su35有了质的提高,这样在对抗F22时,即使生存能力差一些也毫不在劣势中。另一方面毕竟比F22晚出了10多年。但是如此复杂的气动设计,这样的飞控系统即便是美国也不敢尝试,俄罗斯人能真正做好,把启动的潜能发挥得淋漓尽致吗?这令人持怀疑态度。他的复杂度几乎要达到F22的2倍。当然T50总体来讲最大的软肋还是隐身性能,比J20或F22差一个数量级。而J20与F22可能只是倍差。

最后该说说我们的天之骄子J20了。就个人而言我是万万没想到能这么快搞出这样大跃进的东西。怎么也要2015年以后把。然而事实就是无论怎样难以置信他都到来了。这种如此超前的静不稳定布局的诞生,标志着我国的电传控制系统能力和气动设计水平在鸭翼布局上已经超越了美国而与俄罗斯各有千秋了。J20共有可动翼面10个,另有固定辅助控制翼面4个(2小边条翼,2腹鳍)其中全动大面积翼面4个,而且都是差动的。另有可调DSI进气道,中距耦合全动鸭翼的角度偏转可以达到60度。当初设计F22时也曾评估过鸭翼,但是由于美国人对鸭翼的特性和控制并没有完全吃透,面临电传系统开发的很大风险,为了拿出更有把握的方案,还是放弃了鸭翼。J20的腹鳍具有两大作用,一个是拉低了垂直尾翼的高度,这一点对整体隐身指标几乎没有影响,因为F22高大尾翼反射的雷达波,与目前J20的矮小尾翼与腹鳍所反射的总和差距很小,特别是正面。其次,腹鳍为水平机动时,全动垂尾差动使得安定损失提供了平衡的力矩。
J20在机动时能做到既非常敏捷,又非常稳定。与T50比较,在亚音速段可能稍逊一些,在超音速短会胜出一些,这是大面积中距耦合全动鸭翼与差动垂尾共同作用的结果,全差动垂尾的气动控制难度是非常高的,因为垂尾本来在纵向横线上都起到双重安定作用,差动时在提供机动性的同时,需要兼顾这两个作用。当然所有这些功能实现的前提是必须有相应得昂的电传操控系统来完成对这些翼面的完美控制。


最后给各个机种的机动能力排排序(前提是T50的启动潜能能够完全发挥)
T50>F22=Su35>J20>F35>J10>EF2000  (目前来看,虽然J20要大一些,而且发动机不给力,但是由于气动布局明显的好,所以J20与F22,Su35差距应该不大)

如果J20装备了矢量发动机
T50=J20>F22=Su35>F35>J10>EF2000

(完)

所有跟帖: 

比较专业!可是为了隐身武器都要内置,因此战机的体积也是很重要的一条 -jds- 给 jds 发送悄悄话 jds 的博客首页 (308 bytes) () 05/26/2012 postreply 20:37:21

楼主的科普很好,就是忘了解释什么叫"气动中心"了?颇有点遗憾....... -jerrytao- 给 jerrytao 发送悄悄话 (0 bytes) () 05/27/2012 postreply 02:15:56

你既然这样认为,那就帮忙补上怎么样? -jds- 给 jds 发送悄悄话 jds 的博客首页 (0 bytes) () 05/27/2012 postreply 06:03:18

我有两个疑问 -JieHu-- 给 JieHu- 发送悄悄话 JieHu- 的博客首页 (248 bytes) () 05/27/2012 postreply 16:57:43

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