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歼20亮相珠海却还不能上演超机动只因少了歼10B关键部件

归档日期:06-19       文本归类:飞机安定性      文章编辑:爱尚语录

  10月30日,4架歼-20战机飞越珠海今晚机场上空,很显然这是在为即将开幕的珠海航展做准备。同一天,带矢量发动机的歼-10B也升空进行了适应性训练。

  从现场来看,歼-20除了编队通常外,还有单机表演,但表演还是以常规的高G转弯、爬升、桶滚等标准动作,并没有像F-22、苏-57那样做出“不合常理”的超机动。反倒是歼-10B,如今外界普遍认为其可能进行包括“眼镜蛇”机动在内的超机动表演。

  作为西方标准的第5代战机中,唯一的前翼战机,不是应该让前翼带来很高的机动性吗?那么歼-20的表演为何偏“保守”呢?今天,北国防务就来谈谈前翼对超机动性究竟有什么影响。

  上世纪70年代,战机设计界从盲目追求超音速的浪潮中觉醒过来,开始注重战机的机动性。为了尽可能维持超音速加速性,需在翼面积增加不大的条件下提高升力,而利用涡流刺激主翼上层气流,在高攻角状态压榨出更多升力,提升最大升力系数的方式成为最受瞩目的解法。

  要在主翼前方产生涡流主要有2种方式,一是安装高后掠角,小展弦比的边条翼,其上层气流会在中攻角率先失速,但边界层剥离产生的涡流反而会增加主翼升力,产生 “牺牲小我,完成大我”的效果;另一种方式则是采用前翼,高后掠角的前翼也是利用失速涡流产生助升效果,但后来发展的先天不稳定构型需要前翼作为控制与配平之用,就不希望前翼太早失速,于是缩小前翼的后掠角,改以尾流作为主翼助升之用。

  成飞前总师宋文骢在 “一种小展弦比高升力飞机的气动布局研究”论文中提到歼-20同时采用前翼与边条翼,不仅保持了各自的增升效果,还能得到更高的升力系数,显示前翼、边条翼与主翼三者之间产生了某种有利的耦合作用。

  △我们在航展看到的超机动表演都是在低速进行,这是因为战机在低空要减速到0.4马赫以下才能进行25度以上攻角的瞬间超机动(A),但战机在中高空环境因为空气稀薄,0.7~1.2马赫间都有可能进入超机动状态(B),因此MBB认为超机动领域有很高的战术价值

  “超机动”一词则是源自前西德MBB的工程师W.B.Herbst,他在上世纪80年代带领团队研究未来空战的致胜性能时,提出将过失速(PST)机动与直接力机动(DFM)结合成为 “超机动性”: “过失速”指的是飞机超过失速(约30度)攻角的转向动作,此时主翼已抓不住气流来制造升力,就像汽车在弯道中让前轮抓不住地面一般,但在后轮带动下反而能更快速地回转(甩尾); “直接力”则是利用可动鳍翼或矢量喷嘴使战机在飞行方向不变的情况下,改变机头指向。由于后者解除了转向前需滚转的 “耦合”,因此又称为 “解耦”。

  不过,直接力的解耦动作在过失速状态最容易进行,因此 “超机动”后来被简化为过失速状态的各种机动。另外,俄罗斯航空界将失速视为 “极限”状态的一种,因此将过失速机动称之为 “超极限机动”,也常被简称为 “超机动”。

  △Herbst在”Future Fighter Technologies”论文中指出:(左上)机头解耦指向能力可提升20%与30%的空战优势,超过50度攻角的过失速则可提高30%以上的猎杀率;(右上)超机动也可降低空战过程的G值,减轻飞行员与机体的负荷;(下)综合以上优势,超机动不但使导弹交换比达2:1,机炮交换比达10:1,且使战机可一次对抗两架传统敌机

  Herbst的研究结论也建议德国政府朝前翼+三角翼构型发展,因为三角翼的高后掠角与小展弦比兼具降低超音速激波阻力与降低翼负荷(提高各种速度的机动升力)的优点,而近耦合前翼与静不稳定构型可双双提升三角翼的机动升力。前翼的助升现象是由瑞典最先运用在战机上,其JA-37“雷电”战机为了保有三角翼的超音速优点,又要满足瑞典对短场起降的需求,因此在主翼前方架设第2对三角翼,在高攻角会产生下洗涡流扫过主翼上层,减缓主翼的失速现象而提高升力,这现象又称为 “涡流助升”。

  △增加后掠角虽然让涡流提前崩解,但会缓解左右不对称现象。歼-20早期原型机(左)采用弧状外缘,量产机(右)却改用直线外缘,可能就是为了让后掠角增大并保持不变

  然而,被用来提升传统机动性的涡流,却对超机动性产生负面影响。如前所述,中/高后掠角的翼面在25度攻角上下会因为前缘边界层剥离现象而产生涡流,并在尾端崩解成为乱流。在偏航角0时,迎风翼的涡流会比背风翼的涡流强劲,使飞机朝向偏航角滚转而维持攻角的稳定;但随着攻角的增加,迎风翼的涡流崩解位置会往前移动,使该侧升力降低而反向滚转,反而导致攻角扩大而产生滚转的不稳定现象。超音速飞机尖削的机鼻、中/高后掠角的边条翼、主翼与主翼都有涡流不对称现象,而实验显示前翼的尾流会加强这个倾向。

  虽然透过可动式前缘襟翼、增加边条翼的后掠角、在机鼻或机侧安装小型条翼可以稳定涡流,缓解不对称现象,使战机在30度上下的最大攻角可以减轻 “机翼摇滚”(Wing Rock)对瞄准精确度的影响,但在30度以上的过失速攻角仍会导致滚转不稳定,直到主翼边界层更大范围崩解,接近完全失速才会回复稳定。

  △MBB在TKF-90计划中研究了传统双垂直尾翼、全动双垂直尾翼、翼下垂直尾翼(右下)、前翼布局(左)、尾翼布局(右上)...等对超机动性的影响,结论是前翼+三角翼+传统双垂直尾翼+矢量喷嘴是最佳选择

  涡流的另一个问题是在崩解现象发生时,会改变垂直尾翼表面的压力分布,导致横向稳定性跟着降低。这可以藉由将垂直尾翼设置在中间来逃避涡流,例如F-16与欧洲3种四代半前翼战机都采用单垂直尾翼来维持30度上下攻角的稳定性。而宋文骢的论文中提到,歼-20藉由将双垂直尾翼从 “相对面积”(可能是相对于主翼面积或总翼面积,论文中没有明指)20~25%缩小为10~13%可以减轻涡流的影响,再藉由将垂直尾翼改成全动型式弥补其他情形下偏航控制性的不足。

  然而,这两种方式在过失速状态都会让垂直尾翼被机身与主翼的尾流所遮蔽,终究还是会失去横向稳定性,尤其全动式尾翼在MBB研究中更发现会提早引发涡流崩解而被放弃。因此MBB原先的想法是利用矢量喷嘴进行偏航控制来达到超机动效果,不过这主意因为风险与价格太高而放弃,使“台风”战机跟随其他欧洲四代半战机放弃了超机动性,MBB后来自己带着设计图到美国合作打造了X-31矢量喷嘴实验机来完成超机动梦想。

  另外,MBB发现机身下方的腹鳍不会接触到涡流,倒是可在较高的攻角提供横向稳定效果,歼-20可能就是这个原因,增设了论文中没有提及的腹鳍。

  △歼-20利用边条翼产生的涡流与前翼尾流来增加主翼升力,可提升中高速的持续机动性与瞬间机动性,但对低速超机动性却未必是利多

  不过,各国的相关研究也发现,前翼偏折角度对涡流的影响并非线性,可能某些角度会增强涡流的不对称,某些角度又会消除这现象。因此,透过数字飞控系统控制前翼角度跟着攻角变化可以减缓部分的不稳定性。

  另外,为了避免飞机在过失速状态失控,前翼可以90度下打产生低头力矩来强迫返回传统机动状态。然而,对于前翼+三角翼构型而言,前翼是主要的俯仰控制与配平面,强迫限定其角度等于放弃俯仰控制能力,只靠主翼后缘的升降舵来产生俯仰力矩,使过失速的俯仰控制能力比尾翼+主翼构型来得差。

  △F-35在2017年巴黎航展中进行的表演动作,主要的超机动是2、4两处,前者是用快速的俯仰大动作画出四角形的垂直循环;后者则先用极小半径的低速翻身,再进行高攻角的落叶转

  俄罗斯中央气动学院就因为这个理由,建议未来战机应采用前翼+矢量喷嘴,或是前翼+尾翼的三翼面布局来兼顾传统机动性与超机动性,前者被米高扬设计局的1.42所采用,后者则应用在苏霍设计局的苏-57上。

  因此,单纯前翼+三角翼并不能带来优秀的超机动性,除了歼-20外,歼-10、“鹰狮”、“阵风”与“台风”等前翼战机都不曾在航展中表演超机动飞行,最多只有25-30度左右的高攻角平飞,也就是最大升力系数的状态。目前战机构型中,超机动性较好的仍是两片垂直尾翼+两片水平尾翼的传统 “四尾翼”构型,比较容易在30度以上攻角维持稳定与控制。

  △歼-20已经换上国产发动机,下一步换上目前歼-10B上的矢量发动机应该问题不大

  例如F-35在毫无矢量喷嘴的情况下也可达到50度攻角可控,在去年的巴黎航展中就藉此表演了四角转弯等多种超机动。相较之下,要看到歼-20或歼-10表演超机动,可能等到矢量喷嘴上身才有机会。

  目前,歼-10B无疑已经具备了这个条件,而且很可能即将展示在世人眼前。而歼-10B一旦成了,歼-20还会远么?只是时间问题而已

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