猛文:关于中国歼20气动性能…

发布时间:2016-12-10 22:45:58 编辑:www.fx114.net 分享查询网我要评论
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原文地址:猛文:关于中国歼20气动性能的浅析作者: 黄辉军情    1、J-20整体气动布局特色     有关J-20的气动分析在去年是个热点,各路人马都七七八八分析了不少,但是实话说当时J-20的照片和视频都不多,所以在热潮中分析的东西,现在回头来看,似乎总感觉欠缺了点什么。所以个人还是把最近所看到和想过的东西谈谈。     就J-20的整体气动布局而言,其本质上还是以宋老的《一种小展弦比高升力飞机的气动布局研究》为基础的,只不过当年所谈是机腹进气道而不是当前的两侧进 气道,另外当年所提到的进气道是尖脊进气道而不是当前的DSI进气道,所以当年的设想的四代机时申明样子完全让人完全无法设想了,腹部尖脊进气道通过”S “型向上,一个鸭式布局加后面边条翼,同时还是升力体,总之不好设想。好在后来611在FC-1上验证了DSI进气道,所以后来我们就看到了采用两侧 DSI进气道、具有升力体特征的、边条翼和上反鸭式布局的J-20。J-20正是靠这些气动布局,要达到气动方面的超音速巡航和兼顾超音速和亚音速机动性 的要求。     但是,仔细看J-20的整个气动设计后,发现J-20的气动设计中,向超音速巡航方面侧重的非常多,个人估计可能与我们的发动机一直是短板有关吧。就倾向 超音速气动方面来看,有以下措施:后掠角比F-22大,与YF-22的48度后掠角相当,机翼比较薄,对降低超音速波阻有利,翼展是三种机型中最小的,这 些都对降低超音速阻力有利;就是前面图中所看到的J-20的比例偏大,即便如此其机翼面积比F-22还是要小,当然更比不上T-50那个巨大的中央升力体 和机翼在一起的面积,这造成翼载可能是三种机型中最大的,但高翼载本身对超音速飞行也是有利的,譬如F-104的翼载就比较高,但是其超音速性能的确不 错;采用了窄间距发动机,较小的垂直尾翼,对降低超音速后体阻力也是有利的;而更为重要的整个飞机的长细比则是三种飞机中最大的,对降低超音速阻力也是有 利的,近乎远距的鸭式布局,本身对超音速降低波阻有利,而边条翼和鸭式布局以及较大后掠角本身对超音速气动焦点后移量的降低是有帮助,对超音速配平阻力也 是有利的。总之,从J-20的整个气动布局而言,实在是处处都能够看到对超音速巡航所做的努力,估计J-20即便发动机推力不是很大可能都可以保证超音速 巡航。但是,这种情况下,亚音速性能该如何办呢?这就要从升力体机身、鸭式布局和边条翼布局以及更明显的机翼扭转来看了。     对于J-20的升力体特征,很多人觉得从正面看似乎进气道上方很平,不像F-22那样进气道上方有个明显向上的弧度,感觉说升力体有点牵强,另外从侧面看 J-20的机身背部也比较平直,不像F-22那样显得有凸有凹,个人觉得大家在看J-20时,还是在心里要有一个三维的形象,因为从侧面看时,J-20显 得比较平的地方是因为其背部座舱后部相当有个脊背,这个脊背比较平直,而进气道上面两侧往后,还是有一个弧度,这点可以从侧正面和后部视图上可以看出的确 是有一个弧度的,只不过J-20的机身较长,所以这个弧度看上去不明显。注意看下图,正面图上看明显能看到进气道后部比进气道上边高,而从后部则能发现 J-20背部呈一个弧度且看不到进气道前面,这是因为后面弧度比进气道上表面高,从另外一个角度证明其是升力体设计。         在亚音速性能上,主翼后掠角也是一个非常关键的数据,一般来说亚音速性能较好的就是中等后掠角,47-48度后路角基本上偏中等后掠角的上限,但仍然属于 这个范围。机翼的扭转在提高飞机的亚音速性能方面也很有帮助,因为较大后掠角机翼通常会造成机翼的诱导阻力大,而机翼扭转改变了翼稍的迎角,这使得由于较 大后掠角带来的机翼升力增加和分离增加的特点得以减低,所以机翼扭转本身就是降低诱导阻力和提高大迎角性能的典型做法,在F-15上、J-10上、F- 22上都有采用,只不过J-20和J-10的机翼扭转看上去比较明显,这与这两种飞机的展弦比可能不大都有关系。     J-20的整体布局与传统的鸭式布局不同,因为传统的上置鸭翼和大后掠机翼可以有所谓的气动耦合,J-20的布局显然也是利用涡升力,但这个涡升力是融合 了边条翼的涡升力效果,比近距耦合鸭翼更进一步;实话说传统边条的涡升力在中小迎角比鸭翼更有效,因为传统边条是细长机翼,后掠角都在70度以上,其本身 就非常容易让气流绕过机翼来形成涡,而鸭翼的后掠角不会这样大,尤其是鸭式布局也要满足所谓平行原理来降低雷达发射,这也就是为什么我们看到大多数的鸭式 布局的飞行中不像边条翼布局那么更容易看见涡的缘故;另外,传统的鸭式布局当迎角增大后,这个时候通常需要降低鸭翼迎角来避免迎角进一步增大,这样鸭翼迎 角减小后鸭翼涡的强度就会降低,而大迎角时一个非常重要的事情是希望能够有足够的低头力矩,对于鸭式布局低头力矩靠鸭翼卸载或者鸭翼下偏来达到,在这种情 况下,鸭翼的涡很有可能不会继续扫过机翼,而机翼在没有鸭翼的涡流后就会失速,估计正是这个原因使得鸭式布局的可用大迎角并不是很大,譬如J-20的迎角 限制在26度,个人这个看法未必正确,但或多或少能够说明为什么有人说鸭式布局未必比边条翼布局大迎角性能更好的原因吧。J-20布局中时鸭式边条翼布 局,能够让飞机在大迎角飞行是减小鸭翼迎角对机翼上的涡升力并不造成太大影响,这使得其大迎角飞行性能得到提升。J-20的鸭翼采用的是与主翼根部在同一 平面布置,为了让鸭翼涡在机翼上与机翼形成有利干扰,所以鸭翼上反使得鸭翼翼稍高于机翼,从而让鸭翼涡会高于主翼,同时让主翼下反,使得其达到类似鸭翼上 置的效果。     J-20肯定采用了放宽静稳定性的技术,而鸭式布局放宽静稳定性其鸭翼到底产生什么胜利,曾经论坛上为此争论不休,甚至有人认为鸭式布局的静不稳定与常规 布局的静不稳定正好相反,鸭翼要是负升力,通过我们前面的分析可知,显然鸭式布局静不稳定并不一定是让重心在机翼的升力中心之后,所以此时鸭翼还是正升 力。我们再看J-20的重心和机翼的升力中心,就会发现J-20的重心与机翼的升力中心相比比F-22和T-50更靠前,这也充分证明J-20在放宽静稳 定情况下鸭翼是正升力。当然,J-20的静不稳定性不会很高,因为J-20的鸭式布局的大迎角时低头飞行主要靠卸载方式,也就是鸭翼不提供升力来依靠重力 来实现低头,如果静不稳定性太高,那么鸭翼即便是零升力,除鸭翼以外的气动焦点所产生的升力造成的力矩比重力力矩都大的话,飞机就无法低头,这也是《小展 弦比》一文中所提到的放宽静稳定性不易太高的缘故。     前面提到J-20的机翼翼载比较大,那么J-20在做盘旋这样的机动动作时,靠什么来实现盘旋所需要的大升力?F-22和T-50靠小翼载和涡升力来实 现,而J-20在涡升力方面比F-22和T-50则更进一步,因为J-20的产生涡的地方较多,包括边条、鸭翼和鸭翼前侧面小边条,都能产生涡(这里个人 没有提三种机型的机头涡,主要是个人对机头涡都不是很了解),这些涡产生的长度方向和宽度方向上分布都比较广,譬如下面这张图上就充分表明了这些涡的产生 地点和范围:     如上图所示,涡升力不光扫过机翼,还扫过升力体机身,另外鸭翼的涡旋转范围广而涡核强度不高,所以鸭翼涡并没有形成一个明显的湿气凝结,但可以肯定的是鸭翼的涡还是扫过了机翼,对机翼增升有帮助。       不过,鸭翼和边条相互之间可能也有不利影响,主要是鸭翼造成的下洗气流改变了边条局部迎角,使得边条局部迎角会小于机翼迎角,这在迎角不大时并不利于边条 涡的形成,譬如下面这张图,机翼两端的涡都能看出来,但边条涡却看不出来,而一般边条翼布局在这种情况下边条涡会比较明显。(而上面那个能够看到边条涡的 图中,因为迎角较大,鸭翼相对机身下偏(大鸭翼本身还是正迎角),鸭翼虽然还有下洗,但由于迎角增大后鸭翼下洗对边条影响减小,所以边条的涡比较明显。)     对于J-20的机动性来说,放宽静稳定性是有利于提高静稳定性,但J-20的鸭翼距离重心的距离近,且面积不够大,所以单纯靠鸭翼操纵来实现机动性显然有 点不够,而鸭式布局飞机通常都会利用后缘升降副翼(也有叫襟副翼)配合来实现操纵和配平,这个襟副翼和操纵面距离重心的距离和其本身面就都比较大,而且可 以差动,通过这种方式来提供飞行机动所需要的操纵力,具体J-20的翼面动作可见下面J-20视频截图。     J-20这些升降副翼的动作显然不是单纯只是起到后缘襟翼的作用,内侧和外侧升降副翼可以单独操作,也可以组合操作,还可以配合鸭翼操作,可以说其操作相 当复杂,通过这些复杂的操作,从而实现纵向(同时上偏或下偏产生俯仰力矩)和滚转(左右差动)操作,这些操纵本身还可以与鸭翼配合实现纵向或滚转操作,譬 如升降副翼上偏结合鸭翼上偏实现抬机头动作,而鸭翼的左右差动也可以与升降副翼差动一起增加滚转速度。鸭翼与升降副翼配合还可以实现高升力,譬如在降落时 鸭翼上偏产生涡,而升降副翼下偏则相当于襟翼增加升力。(见下图)     J-20的垂尾与F-22和T-50也有较大不同,首先最大的不同在于其外形的不同,F-22和T-50的垂尾后缘都是前倾的,而J-20是后倾的, 在这点上个人估计这样设计有两方面的考虑,一个是大迎角时由于机翼会对垂尾遮挡,而J-20机翼后缘却没有像F-22和T-50那样有个水平尾翼的缺口在 水平尾翼运动时能够让气流流过垂尾,所以后倾的垂尾在大迎角时会让垂尾下部不受机翼遮挡,这样来提供一定的大迎角航向稳定性。另外,J-20垂尾这样设计 估计与涡增升的涡流有关,在《小展弦比》一文中,提到由于涡增升在垂尾附近造成了负升力,而垂尾先后倾斜后,估计多少能够降低一些负升力效果,另外我们还 注意到,垂直尾翼可能会根据局部气流方向来调整舵面方向,从而让与漩涡气流方向一致,减小负升力效果,这点可以从上面的J-20降落图中可以看到,降落时 垂尾都向内偏转,基本与当地气流方向一致。J-20的垂尾向后倾斜也增加了垂尾的作用力臂,这对航向操纵上也有帮助。在航向稳定性上,J-20采用了腹 鳍,看上去好像是个落后的设计,但从气动角度来说可能是必须的,因为J-20的垂尾面积小且在大迎角时容易被遮挡,此时腹鳍就起到了非常重要的作用,所 以,很有可能未来J-20是不会取消腹鳍的。     2、J-20的亚音速性能     J-20通过升力体和中等后掠角机翼以及机翼扭转,降低巡航阻力,这对亚音速巡航有帮助;通过放宽静稳定性结合鸭翼与升降副翼的配合使得操纵力矩得到保 证,无论是俯仰还是滚转速度都应该比较高(窄间距发动机布局和较小的翼展对减小转动惯量对提高滚转速度也有帮助);结合鸭式边条翼布局的大迎角高涡升力特 性来增加了整个升力,这对瞬盘速度有好处,不过对于稳盘速度可能就不好说了,可能会比F-22要低,因为涡升力的升力大可能阻力也大。 J-20的大迎角主要还是通过鸭翼和边条翼的大迎角涡升力来改善机翼上的气流分离情况,而通过腹鳍和后掠的垂尾来确保大迎角时的航线稳定性。故其可用大迎角应该也不错。     3、J-20的超音速性能     J-20在超音速性能方面可以说是做了非常多的努力:较大的机翼后掠角、最大的长细比、鸭式布局、边条翼布局、较小的垂尾、窄间距的发动机、放宽静稳定性 和超音速气动焦点后移较短、鸭翼配合升降副翼来实现超音速配平等,这些都有利于减低超音速巡航阻力,故其实现超音速巡航所需要的发动机推力可能是三种四代 机中最小的。鸭翼和升降副翼的总操纵力矩相当大,尤其是鸭翼在超音速飞行时的气动操纵效率比尾翼更高,这都使得超音速机动性能得以保证。     4、J-20的多用途能力     就J-20的重心、全机焦点和机翼的升力中心位置来看,可以说要在J-20的机翼上挂载弹药实在是比F-22还困难,因为机身腹部像F-22那样被弹舱 门所占据,而机翼更靠后使得挂架必须向前伸出较多才能让挂载物的重心靠近飞机的重心,这将使得机翼上的扭转力矩偏大,挂架也偏重。     J-20还在试飞阶段,在多用途方面还是可以采取一些办法的,譬如让现有的弹舱深度更深来容纳多种弹药,或者将弹舱门缩小让开中间位置或者边缘位置,这样可以在机身上挂载攻击弹药或者副油箱。     前一段时间论坛上曾经耗费较多时间讨论舰载机,不少人希望J-20能够上舰,而如果J-20能够上舰,鉴于舰载机目前的多用途要求,如果J-20不改变弹舱布局让可以实现更灵活的外挂,那么即便上舰其作战能力也会受到影响。       在外挂布局方面倒目前为止似乎我们的飞机考虑的不多,国内研制的飞机中,外挂布局最佳的还是FC-1,其他的都比较一般。相对而言像欧洲阵风、台风、鹰狮 等虽然都是翼展较小的三角翼机翼,但他们的机翼下的挂载能力都很强,所以挂载能力并非完全说那种布局就有其不可克服的短处,而是在一开始就将多用途性纳入 考虑,而在后面拓展多功能用途时就会有很大帮助。     5、J-20气动分析小结     J-20的气动设计非常重视超音速性能,个人认为这与我们长期以来的防御性空军有不小的关系,防御性空军是非常关注截击性能的,我们在历史上的双25、双 26飞机、J-8飞机、J-10飞机等都对高速性能提出了要求,J-20关注超音速性能也属正常;J-20在关注超音速性能的同时也并没有放弃对亚音速性 能的要求,中等后掠角带扭转的机翼和鸭式边条翼升力体气动布局都在追求提高亚音速升力并降低阻力,提高大迎角性能;而总力矩较大的鸭翼和升降副翼共同操纵 使得亚音速和超音速机动性都有好处。       J-20在多用途方面的确因为机翼靠后而不适合在机翼上挂载,而通过改变弹舱布置可以在机身腹部让出一定位置来便于挂载。     四、后记与小结     一直以来对四代机的气动设计都感到着迷,但真正啰啰嗦嗦写完这些东西后发现还只是接触了一点皮毛,所以前面写的东西肯定有不少错误。     而在对这三种四代机的气动设计进行考虑前,最早只是为了搞明白到底J-20的气动设计如何,其中就涉及到一个非常重要的问题,就是J-20的机动性到底如 何,因为有人曾经在《辉煌背后的隐忧》中提到担心J-20的机动性,而机动性则与气动焦点和操纵面布置有关,而在论坛上也有人说鸭式布局静不稳定时鸭翼提 供负升力,这就要求必须搞明白什么是静稳定和静不稳定性,所以,当在了解焦点、静稳定性等概念后,回头再看J-20的机动性以及F-22和T-50的气动 设计时就有了更多认识,所以就越写越多。     现在回头看三种四代机的气动,可以说F-22有点像F-15对三代机一样似乎形成了一个标杆,在F-22问世的那个时候可以说是一个开创四代机做探索的时 候,同时在隐形设计方面也是一个新的探索,F-22选择常规布局显然风险更低,而老美的基础工业的先进使得其能够采用对降低阻力和提高升力非常有好处的长 方形矢量喷管,同时其材料和加工工艺上的先进使得其在飞机的重量上也可以控制的比较理想,这样F-22就不必为超音速巡航和性能付出太多,进而减小了机翼 后掠角增加翼展来确保亚音速性能以及航程,而在机动性方面则通过力臂较长的尾翼来实现,并没有采用后来两种四代机所采用的全动垂尾。     对于俄罗斯和中国而言,如果造一个俄罗斯或者中国版本的F-22, 由于材料和发动机的差距,这样的F-22造出来其作战能力肯定不如F-22,所以单纯的模仿是没有出路的。各自都得想各自的招。     俄罗斯所想的招离不开苏霍伊的历史,所以继承了SU-27的升力体设计并进行了改进,这种思路完全正常,因为如果不这样搞成其他气动布局对俄罗斯来说,可 能风险更大,而这种更熟悉的气动布局则可以发挥其特长,采用了独具特色的可动边条前缘,不惜采用可调节进气道等措施来确保整体气动性能,而在飞行控制上由 于控制面最多而复杂。不过T-50的腹部隐形设计与F-22和J-20相比显得考虑较少,包括直通进气道和进气道到发动机下侧面与机翼或多或少有点角反射 器嫌疑。不过T-50的一大优势是其有利于多用途化和实现外挂,加上较宽的主起落架间距都使得其更容易上舰。所以未来俄罗斯的战斗攻击主力可能都是T- 50了。       中国搞四代机也不能脱离自己所熟悉的气动布局,像俄罗斯那样搞升力体布局显然比搞自己比较熟悉的鸭式布局风险要大,而由于发动机的长期不给力且要求超音速 巡航,使得整个气动设计偏向超音速,如果在发动机能够达到类似F-22的F-119的水平,其超音速性能估计又可能超过F-22和T-50。当然J-20 也没有放弃亚音速性能的追求,所以采用了比F-22和T-50都要复杂的涡升力,这也对飞行控制系统提出了挑战。     综合这三种飞机的气动来看,就好像在三代机时代的F-15、SU-27和J-10的升级版,F-22的气动最简洁,但材料和发动机的领先使得其气动性能并 不差,同时还确保了隐形性能。T-50和J-20在材料和发动机上的差距使得其在气动上去努力,而希望通过气动努力缩小差距甚至是建立自己的优势,但从另 外一个方面也多少带来一些缺点,在隐形性能方面T-50和J-20估计都与F-22有差距,而T-50的腹部隐形更是一般,J-20则为了追求超音速性能 而多少在亚音速性能上付出了点代价。所以,F-22虽然最早问世,但其性能依然位居前列甚至还保持不少方面的领先,后两者极力追赶并努力营造属于自己的优 势

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