郎平带领中国女排:【中华军备】歼20技术浅析-奥古鸣泽

来源:百度文库 编辑:九乡新闻网 时间:2024/03/29 01:48:11

 


                           歼20技术浅析

 

                               奥古鸣泽

 

      

 

      2009年11月8日的一则访谈曾令广大中国军迷兴奋不已。那次访谈中空军副司令员何为荣将军谈到了中国发展四代机的问题,并首次提出中国的四代机会在两年内首飞。这次访谈的公开曾引起海内外的强烈反响。汉和评论的平可夫甚至提出中国的四代机绝不可能在两年内出现的论断。随后中国的官方媒体也对中国四代机的概念进行了澄清,所谓“四代机”仅仅是中国的三代机改进型而已。然而,当J20横空出世,出现在人们的视野中时,世界为之震惊了,中国军迷为此振奋不已。

 

      一架中国四代机的出现真的能如此不同凡响吗?答案是肯定的。世界上曾经有过很多能独立研制战斗机的航空强国,随着技术水平的不断攀升,到三代机时期,多数欧洲国家已无力独立研制第三代战斗机了,真正能独立研制三代机的国家只剩下了五个国家美国、俄罗斯、法国、瑞典和中国。而到四代机阶段,就只有美国和俄罗斯了。中国的

歼20在晚于T50首飞一年后的露面,使世界终于认识到中国也已成为了能独立研制四代机的极少数国家之一了!

 

      在J20的照片刚刚出现在网络时,笔者就随即在铁血论坛上发表过一篇歼20为何是采用鸭翼+边条翼+三角翼气动布局原因的分析文章。限于当时J20的照片刚刚出现,具体细节尚模糊,故未对其技术细节作深入思考。现随着更多关于歼20局部细节网络照片的出现而得以对其技术特点作更进一步的思考。

 

 

 

      2011年1月11日,歼20腾空而起,惊艳世界。一时间中国的网友、军迷、纷纷发表文章对J20进行分析、评论、研究、推测。国内外的军事期刊中也刊载了大量关于J20的评析文章。笔者细心的拜读了一些关于J20的评论文章,现结合自身对J20的理解分两篇来从另一个角度来浅析J20的技术特点。

 

    正文

  

    第一篇 歼20为什么是这个样子

 

    歼20为什么是这个样子呢?成飞的设计人员设计了堪称是极为复杂的四代机气动布局,而且是一种乍看下去对隐身性能有不利影响的鸭翼布局。这样设计的原因什么呢?从飞机设计师的角度看一个飞机平台的飞行性能如何是由其气动布局决定的,气动布局的选型要看这架飞机的设计要求和其要完成的任务。例如强击机要求有良好的低空超低空低速机动性能,这时的机翼翼型最好选择翼展较大,后掠角较小的小展弦比机翼。而战斗机中强调制空权的战斗机往往追求高空高速性能和低空跨音速机动性能兼顾。这时的翼型多会采用后掠角较大的翼型和用于配平的水平尾翼共同构成的常规气动布局。另类的布局设计是鸭式布局和三翼面布局。气动布局大致确定后,机翼和尾翼的位置大小形状都要经过大量的风洞试验反复测试修改直到其能够满足其设计要求。

 

    气动布局的设计主要受两个关键因素的制约,一是设计者所掌握的航空气动控制理论水平,必须对其所用气动布局的气动规律特点有充分的把握。三代机普遍采用了电传操作系统,这个系统以控制率最为关键。控制率的编写是以其掌握的气动控制理论为支撑的。

 

    

 

 

 

    成飞在歼10战斗机上所体现出的气动理论和控制率编写水平是很高的。单就其将静安定度放宽到10来看,就已是数一数二的高机敏性三代战机了。J20采用的是成飞潜心研究已久的多涡系涡升力气动布局设计。歼20上特殊气动布局清楚地表明成飞已经在歼10的鸭式布局气动控制理论上有了登峰造极式的飞跃提高。因为鸭翼和边条翼都能显著提高战斗机平台的升力,但二者结合在一起就会产生两种情况,要么强强结合,要么相互干扰,本身鸭式布局的气动控制规律就极为复杂。再加入边条翼就存在很大的不确定性。因此将这两种翼型都融合到一架战斗机气动布局中就非常罕见了。歼20采用这种鸭翼+边条翼+上切角三角翼和全动倾斜垂尾的气动布局,无形中形成了目前升力系数最高的三翼面布局,可以豪不夸张地讲这种气动布局正是为超级机动准备的。采用这种气动布局也意味着成飞能够成功地编写出迄今最为复杂的战斗机飞行控制率。

 

    这是成飞对歼10和枭龙战斗机气动理论和控制技术的继承和发展,体现了自身技术发展的特征和成飞所具有的高超的总体气动把握能力。

 

    然而在航空技术领域讲究在满足特定需求的情况下将复杂的需求简单化,能够用直线就不用曲线,能够用平面的就不用曲面,越是简单越是考验设计人员对技术的理解和把握能力。国外的优秀战斗机的气动布局多表现得非常简单朴素。就像F22战斗机这种当前的空战之王,其简洁的气动设计给人以大巧若拙,返璞归真之感。这正是第二个影响战机气动设计的关键因素:动力。

 

    

 

    

 

       动力是一个制约战机平台设计的另一关键问题。因为这不仅仅是有没有合适尺寸的动力让战机飞起来的问题,也包括这个动力能否充分满足战斗机平台气动布局的气动要求,以及动力对战机总体结构设计的影响问题。

 

      从动力对战机总体结构的影响来说,设计师在选定气动布局后就得妥善安排好动力装置的布置问题。有单发也有双方,有紧凑相邻布置,也有拉开间距布置。根据选型动力的几何尺寸确定战斗机动力舱室的尺寸和布置位置。当动力的安装位置确定后就得为发挥动力的性能而专门设计合适的进气道。进气道的形状和安装位置都要经过精心的计算。既要满足动力装置的进气效率要求,也要满足战斗机的总体设计要求。以成飞的歼10战斗机为例。歼10战斗机采用腹部矩形多波系可调二元进气道的原因在于权衡航程和气动阻力的要求。歼10战斗机设计上要求要彻底克服航程和作战半径小的问题。其作战半径要至少达到1100公里以上。要满足这个设计要求的方法有三种,一是增大战机内部油箱的载油量来增大航程,二是选择比较省油的涡扇发动机,提高燃油使用效率来增大航程,三是依靠降低战机飞行阻力来提高航程(典型的例子是法国的幻影2000战斗机)。从效果看降低飞行阻力的增程效果不如提高动力的工作效率高。动力的工作效率的提高在于动力(特别是涡扇动力)与进气道的密切配合。腹部进气道是各种进气道布置方式中对涡扇动力配合效率最高的一种布置方式。歼10采用腹部矩形进气道后就能够充分发挥AL31FN引擎的动力效率了(AL31系列发动机涡轮前温度不是很高,靠涡扇涵道进气量弥补总推力不足,这是为何苏27和米格29也采用腹部进气的关键原因之一)。采用腹部进气的另一个好处是便于布置一个较大的整体油箱。腹部进气道将歼十的机体内部分为了上下两个部分。而采用两侧进气就将内部分为了左中右三个部分,这样就挤压了油箱的宝贵布置空间,减少机内载油量了,对提高航程不利。那么将机体放大不就可以增大机内油箱和载油系数了吗?这就引发了动力对战机平台气动布局设计影响的第三个方面。没有足够充沛的动力就只能减小战斗机的设计尺寸和重量。因为战斗机是按照军方提出的技术性能要求而设计的。增大飞机体积,重量和飞行阻力必然同步增大,同等尺寸的动力没有显著提高推力和推重比的情况下必然导致战斗机的飞行阻力增大,推重比下降,翼载荷增大和平台整体机动性能的下降,这是不能满足军方要求的。因此如果动力性能不足,要满足战斗机机动性能要求就只能被迫“削足适履”了。

 

    

    

 

 

 

       J20在设计上采用远距鸭式三翼面布局(远距鸭式布局超音速飞行阻力小,配平能力好,利于在发动机推力较小的情况下实现超音速巡航,典型是EF2000战斗机)、修长的机体(能有效降低超音速分行阻力,突出高速性能的歼8II战斗机和米格31战斗机体型修长也是这个原理)、大后掠角的机翼(相对而言后掠三角机翼的升力系数不高,但跨音速飞行阻力能大幅减少。),全动V型垂尾(提高控制效率的同时降低了垂尾的面积、重量和飞行阻力)以及降低机翼的厚度(舵机鼓包外露,明显是降低机翼厚度所致。)正是要在中国的动力性能不足的情况下,满足高机动、超音速巡航的技术要求,就只能尽量选择超音速飞行阻力小,大迎角控制性能好的复杂气动布局了。

 

       歼20在设计上不仅受气动控制理论和动力因素的制约,而且还要符合一个最为关键的设计要求,那就是隐身性能。隐身性能是四代机最为关键的技术要求。是4S标准中首要的。歼20所以引起世界的惊叹就是因为这一点。西方军事观察家普遍将是否拥有隐身技术看作是足以影响到战略的重大标准。4S标准中单就这一项就足以具备跨时代意义。歼20在其强悍的外形中就清楚无误地表明了这是一架真正的隐身战斗机。

 

    

 

       外形隐身是目前最为普遍认可的隐身技术手段。其外形设计的技术是要尽可能降低战机的雷达发射面。战机若要隐身,不光要减少与雷达入射方向成直角的平面,还要减少与雷达入射方向成直角的缝隙和边缘。因此为了隐身,飞行器在总体布局上应遵循以下设计理念:

 

    第一,消除镜面成直角的反射。合理控制飞机的整个外形,避免表面采用较大的平面和凸状弯曲面,用小平板外形代替曲面外形,用多方向的镜面反射和边缘衍射代替小角度的、能量集中的大镜面反射,以抑制镜面强反射。将飞机的机头做成多锥形,机身做成多面体并配以低置的下单平底薄翼,F-1l7采用的就是这个设计思想。这样可以使雷达波形成瞬时闪烁的微弱回波,但也会明显影响飞行器的气动性能。

 

    第二,采用简洁的外形。通过实验发现,尽量保持飞行器气动布局简洁,采用翼身融合且机身、机翼、尾翼各端面对称平行,使其各端面在几个特定方向具有同向的反射性,这样做被敌发现的概率要比无规律气动布局低得多,且由于随着飞行器的飞行姿态和相对于探测雷达相位的不断改变,其行踪极难跟踪。B-2、F-22在总体气动外形布局上采用的就是这个设计思想。

 

    第三,克服角反射器效应。角反射器效应是指目标上的两面体或角体结构产生的散射。当雷达的无线电波射入两个互相的垂直面中的任一个面时,由于无线电波的“镜面反射”效应,就会形成二次反射,最后以与入射波束相同的方向反射波束到雷达。而由3个互成90°的表面形成的角体,当雷达的无线电波射入这3个表面中的任一表面时,可能形成三次“反射”,从而在较宽的“视”角范围内返回很强的电磁波能量到雷达。因此消除角反射器效应应避免出现任何边缘、棱角、尖端、缺口等垂直相交的界面。基于上述原因,飞行器在外形上一般采用机翼、机身、尾翼和短舱连接处光滑过渡,机翼与机身高度融合的构型。飞行器通过采用组合的三维曲度和不断改变曲率半径的外形,避免长而恒定的曲线,还可以避免仰视和俯视雷达回波。对于机翼、机翼上的垂直安定面、水平尾翼、机翼下挂架、翼身连接处等会形成强烈的角反射器效应的部位,常采用内/外倾的双垂尾或无垂尾、翼端(或翼上)安定面、机身侧边等构型。

 

       歼20战斗机在外形上完全遵循了隐身飞机的设计要求。作为一架全隐身战斗机的设计特点,它是完全具备的。因为从设计上看其尽量避免使用直角、菱形折面过渡、武器内置、机翼和前翼前后缘平行、 “V”型垂尾等特征清楚的表明这是一架全隐身战斗机,而不是“准隐身”战斗机。

 

    

    

 

 

       那么歼20的雷达隐身效果如何呢?雷达隐身效果如何要看飞机设计师对雷达波反射、边缘绕射、爬行波散射、顶尖绕射、行波绕射问题的综合解决能力。具体应用技术包括机体外形隐身、雷达吸波涂料隐身以及目前最新的电子干扰系统密切协作。等离子隐身也是未来的一个雷达隐身技术实现方向。其中最为成熟的隐身技术实现方式是机体外形隐身和雷达吸波涂料隐身。

 

    机体外形隐身时目前各项雷达隐身技术中最为重要的一种实现方式。

 

     

       从机体正面看歼20的雷达投影面积和美国的F22战斗机颇为相似。两者的船形机头、紧凑机身、机翼翼展的幅度、发动机进气道的Y字型布置都大致相同。这意味着歼20在正面雷达隐身效果上与F22战斗机非常接近。不足之处在于正面投影面积多了因前翼上反和腹鳍部位(歼20的设计亮点,将在性能篇说明)的投影面。与F22相比歼20在进气道的处理上有其后发优势。歼20的“鼓包”DSI进气道比F22使用的“乘波”原理的CARET进气道重量更轻,结构更简单,实现难度相对低一些,同时在雷达反射截面上要明显小于CARET进气道。

 

  

 

 

       歼20和F22一样都采用了无框架全向水泡舱盖。但F22战斗机舱盖采用了镀金膜处理,这能消除座舱内的雷达波漫反射,J20在透明舱盖上未采用镀金膜处理,在这一点上尚不如F22的雷达隐身效果好。但从正面雷达总体隐身效果看,现在的J20虽然没有还达到F22正面的-20分贝水平(RCS0.01平方米),但也是非常接近了这一指标。用于执行空战任务时,现在对战斗机的探测距离为135公里的机载雷达,对-20分贝级的隐身战机的探测距离将下降到30公里以内。这意味着所有的现役战斗机都无法在中距空空导弹的射程内发现目标,这已是一种可怕的力量。

 

       现在刚处于试飞阶段的歼20就能在正面雷达隐身效果上略逊于F22,这已经是非常了不起了。只有技术实力雄厚,敢于创新的设计团队才能做到这一点。

 

    

    

 

 

       歼20的侧面外形隐身效果应该不如美国的F22战斗机和俄罗斯的T50战斗机。腹鳍和修长的机身影响了侧面雷达隐身效果。但从歼20的设计要求看,这个缺点并不是特别大的缺限。从成飞在歼20在的设计上看,明显围绕着两个要点:一是,能够有效对抗F22战斗机。要求具有和F22相接近的正面雷达隐身效果和更好的高机动性能、超音速巡航性能。同时在航电水平(雷达探测、态势感知能力)上和可维护性上要接近或达到F22的水平。不夸张地讲歼20就是为了克制F22而设计的隐身战斗机。二是,歼20是作为中国空军未来的隐身攻击机而设计的。歼20的机体很长,其武器内置空间明显大于F22战斗机。充裕的内置空间能够满足大型空地武器的布置要求,对于提高隐身战斗机的多用途作战能力大有裨益。同时较长的机体也利于携带更多燃料以增加其航程和作战半径。综合看来歼20已是一种典型的多用途战斗机。这表明成飞的设计思想明显向西方靠拢了。这是一个可喜可贺的进步。因为中国的飞机设计师终于接受杜黑空权论思想了。歼20不仅仅是一架战斗机,更是一架战斗轰炸机。

 

       在外形隐身的基础上,通过吸波涂料的配合也能大幅降低雷达发射截面。美国已退役的F117隐身战斗机,其吸波涂料的雷达隐身效果占总体隐身效果的四分之一。当时采用的吸波涂料是针对特定窄波段厘米波设计的。适应波段窄,而且容易脱落,受气候环境影响较大,维护保养复杂昂贵。进入21世纪后,雷达吸波涂料应用上了纳米技术,诞生了多波段全频谱吸波涂料和吸波复合材料。使得吸波材料的适应性大幅提高,同时大大减少了对隐身飞机的维护和使用成本,使得真正全天候使用的隐身战斗机成为了可能。歼20战斗机发展较晚,比F22原型机晚了近20年,使其能够直接应用上新世纪出现的新技术。歼20原型机所采用的黑色涂装应该不是一种简单的隐身涂料,而是一种全新的隐身涂层或隐身复合材料。甚至这个隐身涂层技术是具有世界领先水平的。

 

    

 

      J20刚露面时网上有过几张歼20维护人员站在歼20机背维护作业的照片。仔细观察,这些维护人员并没有向美国的维护人员那样穿上特殊鞋套站在隐身飞机上。这或许说明中国研制的隐身涂料具有非常好的附着力,不易脱落。这意味着歼20的可维护性是非常好的。从网络上歼20原型机照片的涂装颜色看,却有两种不同的颜色,黑色和深蓝色。这是什么原因呢?这或许说明歼20使用的是目前最新型的多波段宽频谱吸波涂料。在雾气弥漫的成都,J20不惧风雨的滑跑。就证明其涂料不怕水。

 

      这正是最新型多频段的隐身涂料的特点。这种新型隐身涂料涂层很多而且很厚。仔细观察歼20的细节清晰照片发现几乎找不到任何突出物和传统三代机上各种口盖就能说明这一点。成飞的设计人员绝不是用厚厚的涂料来掩盖工艺上的差距,而是表明了成飞在隐身涂层的处理上的高超技艺水平。因为要实现对多个雷达频段的吸收就得涂多层能适应不同波段雷达的吸波涂层。涂层越多适应的波段就越多,对各种波段的雷达波总体吸收效果就更好。

 

      一架隐身战机除了雷达隐身外,还要解决好红外隐身的问题。美国的F22采用红外冷却技术,结合机体构造(尾撑遮蔽了矩形尾喷口)显著降低了红外信号特征。而中国的歼20在这个方面也有重大突破。从歼20的试飞照片看,歼20也同样采用红外冷却技术。其开加力状态也无明显的火焰。这清楚地说明了其红外冷却装置的效果。

 

     

 

       歼20作为第二种采用红外冷却技术的隐身战斗机,尽管在尾部喷口上未采用类似美国的矩形推力矢量喷口造成其尾部雷达隐身和红外隐身效果尚不如现役的F22,但并非无法克服这些缺陷。

  

    

 

  

       如果中国能够在不远的将来为歼20提供类似于美国F22战斗机所用的F119发动机,那么就完全可以对目前不够流畅的尾部做一个完美的修形,同时可以去掉目前起航向稳定和屏蔽尾喷口作用的腹鳍,那时雷达截面和飞行阻力还能进一步降低。在解决好“火飞推”一体化问题后,机动性能还能比现在有大幅地提高。到那时歼20就有望成为了四代机中隐身性能和机敏性权衡得最好,综合性能最好的一种四代隐身战斗机了。这或许正是成飞的设计团队选择这种复杂气动外形的原因所在。

 

      歼20的出现表明中国正在努力缩小与世界航空强国技术水平的差距。通过成飞和中国航空科研团队地不懈努力使中国具备了设计、制造和使用高性能战斗机的能力,使中国正式成为了航空大国俱乐部的一员。

 

    关于歼20的具体性能分析将在下一篇中详述。

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