飞行服夹克:能否发出“光辉”浅谈印度LCA战机气动布局

　　机长：13.20米
　　机高：4.40米
　　翼展：8.20米
　　展弦比：1.8
　　机翼面积：37.5平方米
　　主轮距：2.20米
　　前后轮距：4.34米
　　空重：6.5吨
　　最大外挂量：>4吨
　　起飞重量(无外挂)8.5吨
　　翼载荷(无外挂)221.4千克/平方米
　　推力载荷(无外挂)106kg/kN
　　最大平飞速度(高空)M1.6
　　实用升限：15240米
　　限制过载：+9/-3.5g
　　武器装备：23 MM双管机炮（220 发炮弹）；七个外挂发射点，可发射空空、空地、空舰导弹、无制导火箭、反坦克炸弹、常规炸弹等，还可外挂电子战吊舱和侦察吊舱、副油箱。

    印度自行设计和发展的LCA轻型多用途战斗机是90年代以后少有的全新战斗机开发计划，印度在设计之初提出了非常高的要求和指标，LCA被当作90年代战斗机的档次而广为关注，然而，印度发展这种飞机并不顺利，LCA飞机从1983年上马到目前为止，已经用了近28年的时间，还没有能够顺利地完成研制，投入现役，有消息说印度空军准备在两年内购买40架LCA，历时30年的LCA计划终于要结束了。

    作为一种80年代发展用于90年代以后作战环境的飞机，LCA瞄准的是第三代战斗机或第三代增强型的作战思路，以F-16，幻影2000为代表的第三代轻型战斗机，都具有高机动高性能的特征，特别是非常适合使用机炮和近程导弹机动空战，而欧洲的90年代战斗机则在此基础上，增加了超视距作战的超音速机动的要求，以及快速机头指向能力。LCA作为一种轻型战斗机，强调跨音速作战能力，强调高亚音速的机动性。在80年代初，印度空军中性能最好的飞机是刚刚从法国购买的幻影2000C，性能全面，尺寸小，外形简练，性能全面，既能超音速拦截，又能与敌机缠斗，还有良好的对地攻击能力。印度空军非常满意幻影2000的性能，他们决心未来发展的飞机在幻影2000的基础上，通过减小尺度来获得较便宜的价格，使用未来的先进空空导弹获得发射后不管的超视距作战能力。基于这一时期与法国的良好合作，印度的LCA计划引进了法国达索作为设计咨询。

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  法国幻影2000战斗机 

     达索公司是一个很有特点的设计公司，他们最擅长无尾三角翼的气动布局，设计了一系列著名的世界级战斗机，50年代末的幻影3几乎是二代机的标志，在第四次中东战场上赢得了巨大的声誉，在敌人的飞行员的教条中甚至有见幻影不盘旋的说法，80年代更发展了著名的幻影2000战斗机，被誉为轻型战斗机中作战性能最完善，最强大的名声，达索主导LCA的设计，需要考虑的并不是印度提出的战术条件那么简单， 首先印度作为法国战斗机的传统市场，新开发的产品不能与现在销售的幻影2000性能和定位有冲突，也不能和未来得阵风战斗机有定位重叠，新产品应该是填补购买法国战斗机以后留下的战斗机数量空缺的一种产物，造价不能太高，飞机性能不能太强，达索不能给自己制造一个未来的对手；其次，印度制造飞机也可以作为达索扩张业务的一个方面，不能销售整机，可以销售制造飞机的设备，飞机的组件，电子设备，火控软件等等，可以让这个战斗机计划成为填补达索在低端战斗机市场的不足；第三，通过控制设计发展思路，让印度未来战斗机配套的电子系统和武器系统捆绑在法国武器发展的体系内，进一步将目标利益最大化。除开达索的私心，印度的设计目标并不容易完成，印度缺乏设计一种新飞机的任何一种基础，印度没有飞机的气动布局研究资料储备，没有配套发动机，没有配套雷达，没有配套空空导弹，仅仅是让印度政府对这些问题的确认，就花费了四年的时间，作为设计公司而言，有限的经费没有办法无限度的投入人力进行跟踪，达索倾向于采用货架产品，一切直接取材于法国能直接获得的成熟的或者即将成熟的产品，比如发动机可以考虑M88，雷达则可以考虑为轻型飞机准备的RC400，导弹更有米卡系列。

  

      LCA的气动布局设计非常新颖，它采用的无尾切根三角翼，中单翼，肋下不可调进气道。和幻影2000相比，既有继承又有创新。LCA的设计精华都取决于那个独特的无尾切根三角翼。对于现代战斗机而言，通常采用的飞行布局以正常布局为主，比如美国的F-20虎，正常布局的飞机要实现超音速往往需要采用薄的机翼剖面，小的翼面积，影响高速飞行的机动性，飞机尺度也较大，无尾三角翼天然的翼根弦长长，结构强度上有优势，飞机尺度小，跨超音速阻力小，飞机机翼尺度大，转弯角速度大，根据空气动力学研究，应用条件相似的情况下，采用边条翼中等展现比（3.0）中等后掠角的常规布局优势主要在于0.6马赫以下的区域，迎角超过26度以后的控制区域，无尾三角翼因为天生尺度小，可以获得较小的机体，较小的阻力，较小的结构重量，而在马赫0.6到2.0 都具有优势。法国幻影2000是基于这种研究的产物，它和美国的f16的性能对比，在高度6000米，0.9马赫以上都有相当的优势，而幻影2000的发动机实际上是远不如f16采用F100。但是，在第三代战斗机的空气动力学技术方面，幻影2000只利用了放宽静安定度的设计技术，本身空气动力方面，还是属于简单空气动力学范畴，只是简单的几何平面的大三角翼。简单的大三角翼在空气动力学方面有一些固有的缺陷，比如由于展弦比小且前缘后掠角大，机翼的升力斜率小，飞机最大升力系数角度出现的比较晚，大约在迎角24-30度区间才会出现，而无尾三角翼的控制配平主要依靠襟翼，大迎角区域时配平阻力非常大，配平的迎角范围很有限，因此，幻影2000的最大可用升力系数和三角翼的理论最大升力系数差距颇大，而大迎角性能较差，飞机基本将进入大迎角的能力限制卡死。LCA研制时间晚，达索对无尾三角翼的研究更深入了，他们采用主动气动弹性剪裁，优化和重新设计了机翼的平面，同时为了优化亚音速性能，机翼采用了复杂的扭转，新的三角翼和幻影2000的相比，襟翼，缝翼，副翼布局都基本相同，所不同的仅仅是机翼根部被切了一刀，形成了双角度后掠前缘，和通常的双三角翼形成内角小，外角大的正好相反的情况。

   

      切根三角翼有什么好处？空气动力学实验告诉我们，内侧切一个角，在两个后掠角交接处形成了一个突起的角，这个角在比较小的迎角时就能产生一个细长而稳定的涡系，这个涡系延前缘缝翼的后部展向扩散，可以在整个机翼外段形成稳定的涡升力体系，通过控制切根的角度和尖角的位置，可以使这个涡在大多数可用迎角时流经机翼剖面升力最佳区域。由于利用了涡升力，切根三角翼大大提高了升力系数，实验表明，在11度迎角，切根与未切根的三角翼升力系数相差30%以上，最大升力系数区域移到比较小的迎角范围，比如22-26度，进入可控区域，实现了大幅度增加可用升力系数。切根三角翼的升力斜率也比传统三角翼要大一些。可以看出，新的三角翼更适合亚音速的高机动特征。我们观察LCA的机翼，可以看到围绕切角处机翼的扭转明显分为两段，外翼段正向扭转，增加亚音速特别是低速的升阻比，而内段则反向扭转，获取尖角处较大的当地迎角，换取涡流的及早出现。LCA机翼独特的形状显然是为了提高亚音速的机动能力。无独有偶，80年代后期美国多用途战斗机计划中，F-16XL战斗机也放弃了其正常布局转而采用复杂裁减的无尾三角翼，F16XL的内翼段设计也采用了切根修型的做法，在保留了无尾三角翼本身跨超音速阻力小的同时，也获得很强的亚音速机动能力。

  

     弄明白气动布局变化，可以用来摸索和评估飞机的性能，恰好有类似的F16XL作为参考。总体上来说，尽管LCA的空气动力学设计颇为巧妙，但是飞机的总体设计却不算很成功，从目前公布的参数来看，LCA成功地实现了小尺度，但没有实现小结构重量，飞机空重达到6600kg，同样采用F404发动机的F-20空重仅5100kg，另一个采用f404系的JAS39空重虽然相当，但是推力却超过80kn了。尽管F404发动机比幻影2000的M53推重比高，但LCA实际作战推重比和幻影2000基本相当，仅仅在内油不大于40%时，才能实现空战推重比超过1，达到1.02。因此，飞机维持幻影2000的飞行性能特征，因为翼载荷小，具有很高的瞬时盘旋角速度，略高的稳定盘旋角速度，较差的 SEP和水平加速能力。与巴基斯坦的FC-1相比，空战推重比为1.02vs1.08，垂直性能略为落后，sep方面略落后，盘旋能力有一定优势，滚转方面可能会有一定优势。

  

      LCA采用的无尾三角翼尽管比传统的三角翼有了不小的进步，但这种布局的固有缺陷是起降性能较差，幻影2000的起飞降落距离都超过600米，而其他第三代战斗机很多都能在300-600米之间起降，在现代机场条件下，600米以上的起降距离也许不是太大的缺陷，但是，LCA有一个匪夷所思的海军型，是被当作舰载机设计的，我们已知印度未来采用俄罗斯式的滑跃起飞-拦阻降落的航母体制，对飞机的短距起降能力要求颇高，LCA的海军型设计就备受观察者的注意了，对于短距起飞而言，飞机的推重比和飞机的最小起飞速度是影响飞机起飞距离的关键性因素，LCA的海军型目前也没有特别具体的消息有改善发动机推力的消息，那么必然只能在飞机升力体系上再做作工作，海军型的LCA在三角翼的切根部位置增加了一个前缘活动翼面，这个设计也蛮有趣的，在机翼前增加翼面会让机翼升力中心前移，相信这是为了协调舰载机起落架系统增重所采用的举措，切根前加活动翼面，这个翼面起到的作用不仅仅是一个普通的前襟翼，它兼有变弯机翼和涡襟翼的作用，作为前襟翼，它和后襟翼放下角度相配合，可以控制飞机的升力中心移动，从而产生抬头力矩，解决起飞时襟翼因配平的需求，不能下放到最大角度的问题，这样可以最大程度发挥机翼的升力潜力，提高达到提高起降能力的目的，这种设计目前未有充分的气动实验数据证实对小迎角升力的增强幅度，但俄罗斯的T50将这一设计放入了4代机的设计中，将复杂启动剪裁的翼面形状全面可动化，相信能在更大的速度范围获得较为理想的性能，从俄罗斯的t50的飞行录像中可以发现这个位置的活动翼面的涡襟效果较为明显，它的出现明显增强了身翼系统前部的升力。不管怎么说，从传统经验看，无尾三角翼是最不利于舰载机的，美国人长达50年的运作经验表明，三角翼飞机即便具备短距起降能力，其起飞和降落都存在许多缺陷，比如降落时迎角过大，美国通常要求飞机降落时迎角在8-12度间，可以保持飞机下视目视对飞行甲板全程视野，迎角过高则有可能看不见部分甲板，会带来相当的危险，jsf竞争中波音的x32就因为三角翼不符合海军的要求，被迫修改成后掠翼，目前世界上唯一成功的三角翼舰载机是法国的阵风，它是一种鸭式布局的飞机，短距起降是鸭式布局的固有优点之一，降落时仍然会出现超过15度迎角的问题， 法国人用一些其它技术手段克服，令其达到可用状态，比如增大飞行员下视视野，代价是机头短，雷达口径小。

  

      LCA机翼气动布局的分析。
  
      1。LCA的机翼明显为亚音速性能优化过，更倾向于低速性能，LCA空战翼载荷207kg/ m­，最大起飞重量翼载荷335kg/m­ ,对比幻影2000空战载荷225kg/m­,最大起飞重量翼载荷410kg/m­,翼载荷均小于幻影2000 10%以上，结合气动升力系数方面的提升，短距起降性能比幻影2000提高20-30%是可信的，特别是最大起飞重量的起飞距离
  
      2。由于同等迎角的可用升力系数提高，飞机不需要进入到很大的迎角就能完成大过载机动，因此襟翼放下的升阻比也有所提高，飞机能量持续特性改善明显，飞机的盘旋性能应该略略高于幻影2000，但受到发动机推力严重不足的影响，持续盘旋的能力持平或略低。
  
      3。由于为低速性能优化幅度较大，LCA机翼超音速性能会受到影响，考虑飞机本身不追求1.6马赫以上的速度能力，这个设定基本合理。目前的新闻说LCA低空1.05马赫无法完成平飞，这个表现出推力不足和跨音速阻力较大的现实，LCA超音速性能可能距离幻影2000有一定距离。
  
      4。海军型的LCA增加了部分重量，空重估计会达到7200-7500，发动机推力号称要超过80kn，增加的前活动翼面增加了部分翼面积，提供了更高的低速升力系数，对起飞降落滑跑距离有所增益，考虑到LCA最大起飞重量本身并不是很大，登上航母的可能性还是有的，这个需要时间来观察。