由于缺乏地面和水面的直接支撑,重力对于航空航天器的影响程度之大,是其它交通载具,比如汽车、火车、轮船所完全无法相比的。相应的,重量控制也就必然成为飞机设计中的极端核心问题之一。

机翼产生升力的原理
飞机要克服重力在天空中飞行,需要通过机翼上下表面不同流动速度的空气产生压力差形成向上的升力,而这个过程中会伴随产生各种形式的阻力。重量越大,飞机需要产生的升力也就越多——这必然引起阻力的大幅度增加。另一方面,发动机推力克服飞机飞行阻力以后的剩余推力变得越来越小,而飞机的质量却增加了;参照牛顿第二定律F=MA就可以知道,这必然导致飞机加速、爬升能力的降低。
基于这种双重负面影响,对于任何一架飞机的设计来说,从最初的基本布局类型、大致尺寸选择,直到后期的详细设计以至于定型后的各种改进过程中;如何在保证功能和性能不缩水的情况下尽可能的减小重量,始终是飞机设计单位时刻关注的问题。

歼-10B结构上减轻了一定的重量,但1吨?呵呵
在刨掉发动机和各种机载设备以后,飞机本身的结构其实并不重。从二代机到三代机的发展过程中,飞机结构重量占飞机空机重量的比例从33-37%下降到了30-32%(注1)。从二代机中结构最笨重的型号到三代机中结构最轻巧的型号,差距也仅有7%。至于最近网络盛传歼-10B通过更换复合材料,结构减重达到1吨以上的消息,这仅仅是个谣言。
对于歼-10这样空重在8.6-8.7吨的三代机来说,其中机体结构重量只占2.8吨左右。即使是减重1吨,也意味着结构重量至少减轻1/3以上,结构重量系数下降8%以上,不到24%;哪怕是F22的结构重量系数也达到了27.8%(注2)。这种继承主要结构的三代机改型对四代机形成结构上的压倒性超越,在工程技术领域是没有任何可能性的,只不过是政治宣传罢了。
[注1、2,《先进战斗机结构选材与制造工艺需求分析》 北京航空工程技术中心]
即使是空重达到十几吨的重型战术飞机,要在改进型号中进行数百公斤级别的减重也是几乎不可能的,除非原始设计中留下了很大的减重余地。比如飞机的振动特性一直处理不好,不得不添加了很多的配重块进行调整。但这类减重余裕在本质上就是无效的死重,是飞机设计过程中所必须极力避免的情况。
在重量进一步减轻的同时,三代机的结构性能也是二代机所完全无法相比的。这在我国歼-10的发展过程中体现的极为明显;最主要的三个特征就是更高的允许速压、更苛刻的载荷谱、更长的实际使用寿命。
速压的准确定义有些枯燥和不好理解,读者可以近似的认为它是飞机在推开空气的飞行过程中,空气反过来对飞机形成的压力。速压 = 0.5 x 空气密度 x 速度的平方值;与空气密度成正比,与速度的平方成正比。即使是在中心区域,台风风力形成的速压一般也仅在66-85kg/㎡之间;而现代战斗机在最大速度飞行时候,承受的压力是台风中心压力的几十倍、上百倍以上。
最大允许速压指标是任何一种飞机结构在使用中的绝对底线,飞行员在任何情况下都绝对不能逾越,否则必定导致飞机结构破损、引发空中解体。事实上在接近最大速压的飞行中,战斗机出现外表面的蒙皮撕裂、铆钉脱落,内部的设备安装支架变形都是很常见的情况(注3)。
[注3:《飞行试验工程》]

F14的一起低空高速飞行解体事故截图
例如苏-27早期由于减重过度引起结构强度不足,在接近最大设计速压的高速试飞中频繁出现结构损坏、解体的事故。1983年T-10-17号机出现大部分机翼解体、垂直尾翼被从机翼上飞出的结构件砍断的严重事故,但是英雄的试飞员萨多夫尼科夫居然把这架残骸一样的飞机平安降落回了机场;遭遇同样厄运的T-10-21号机虽然坠毁,不过飞行员弹射逃生成功。和后来的这两次事故相比,1981年的T-10-12号机就没有那么幸运了,它的结构解体首先出现在前机身,试飞员科马罗夫壮烈牺牲。
[注:《战斗机先进技术文集》]
对于提升飞机的最大速度性能来说,速压指标的大幅进步能带来的收益相对较小——因为速度与速压的平方根成正比。相比于歼-7、歼8系列的7500kg/㎡(注4),歼-10速压指标达到三代战斗机的主流标准9400kg/㎡,提升超过21%;体现在低空(取标准大气下海拔500米高度计算)高速性能上,则是从M1.04提升到M1.17。
[注:《中国飞机手册》]
第三代战斗机速压指标提升的最主要意义在于获得更高的升力,以改善机动性能——飞机的所有机动动作,都是通过消耗升力与发动机推力,以克服阻力和重力作用完成的。比如战斗机的盘旋动作就需要大量的升力进行支撑,升力越多盘旋动作完成的也就越快,所需要的半径也越小——机动性也就更好。大多数第三代战斗机都允许在盘旋过程中达到9G过载,此时升力已经达到战斗机重量的9倍。

战斗机进行高过载盘旋,此时升力数倍于重力
之前提到飞机的升力是由机翼上下表面形成的压力差形成的,而这个结论的数学表达形式正是升力公式的概念:每平方米机翼所产生的升力等于升力系数与速压的乘积。升力系数代表着飞机从自身承受的压力中榨取升力的效率。一架飞机是否能在各种速度、高度、过载、飞行姿态等条件下,都能以尽可能小的阻力代价获取尽可能高的升力系数,首先就要看它的气动外形和飞行控制系统设计水平如何了。
如果将战斗机比喻为职业拳击手,那么升力系数就是一个人的技能训练水平,而速压指标则代表着他的体重级别。因为升力的本质就是压力,想要获得多少升力,首先就要承担得起数倍、十数倍于此的压力。
在相同的技能水平下,中量级拳手向重量级选手挑战的结果,喜欢看拳击赛的读者自然很清楚——那只是单方面的殴打罢了。依靠结构的高速压指标,三代机可以在二代机不允许的高度、速度上进行更高过载的机动飞行,这对于空战中的主动权争夺是完全压倒性的优势。

气动上使用边条翼等三代技术的山鹰
