前掠翼气动弹性发散的出现时机,又和速度与前掠的角度息息相关。为了提高飞行速度,前掠翼必须加大前掠角度以减低阻力;但随着前掠角加大,气动弹性发散速度也迅速随之降低——当机翼的前掠角度从0度增加到28度时,机翼出现气动弹性发散的速度下降90%!为了克服气动弹性发散,要么减小前掠角;要么在结构上加强,进一步提升机翼的刚度和强度性能。

以一架轻型战斗机的铝合金机翼为例,当它的前掠角从14.5度增大到27度和35度时,为了保证结构安全,机翼重量要从255公斤增加到716公斤和1589公斤。这意味着对于传统金属结构的机翼来说,前掠翼又陷入了另一个在不可接受的阻力和不可接受的重量之间挣扎的恶性循环,完全失去了实用价值。

前掠翼虽然成为了世界上最早采用的斜掠机翼设计,但其地位立刻就被后掠翼所取代直至今天。但在70年代末期以后,高性能复合材料和先进鸭式布局的出现,曾经给过前掠翼起死回生的可能性,使其一度成为研究的热点。

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二、苏-27后掠翼设计带来的遗憾

后掠翼在加大后掠角的同时又可以保证足够的展弦比,可以获得不错的亚声速机动能力时较好的兼顾高速能力。在接近失速迎角之前,后掠翼在气动控制面(例如襟翼、副翼)偏转的过程中,升力中心的位移幅度始终很小,具有良好的控制稳定性——由于这些优点,后掠翼设计在第二代战斗机和超声速战斗轰炸机中非常受欢迎。

苏-27有着几乎不逊色于F-15的高空高速性能,但其机翼后掠角更小(42°),展弦比达到了固定翼超声速战斗机设计上限(3.5),拥有非常高的亚声速巡航效率,航程性能非常惊人。但现役的固定翼第三代战斗机中,采用后掠翼设计的只有苏-27和米格-29战斗机。这是因为它的三个缺点,决定了它并不适用于新一代高机动性战斗机:大迎角性能差,滚转效率差,结构特性差。

后掠翼在接近失速迎角时,因为气流分离会首先从翼尖开始发生而导致俯仰力矩出现非线性的变化,而且其剧烈程度随后掠角、展弦比增大而迅速恶化。这使战斗机在接近失速迎角时很容易会突然、难以控制的增加迎角,直到失速、完全失控进入尾旋。尤其是在引入边条、鸭翼后,涡流升力随迎角增大而急剧增强的非线性特性与后掠翼在接近失速迎角时产生的自动上仰趋势耦合,使战斗机的俯仰失控来的更早、更猛烈。

前苏联的飞行试验证明苏-27战斗机在超出30度迎角以后,在迎角速度变化率低的情况下,极易失速,进入尾旋状态。只有在瞬态条件下进入大迎角状态,水平尾翼向上满偏,保证俯仰角速度达到70度每秒以上的水平时,才能短暂的进入超大迎角状态并返回。著名的眼镜蛇机动就是在这个基础上发展试飞出来的产物。

大迎角控制能力差的另一个后果是,苏-27在马赫数达到M0.85时,其可用最大过载迅速由9G下降至6.5G,可用迎角也大幅减小。这是由于战斗机的大过载机动必然会引起飞行速度的大幅降低,而战斗机从超声速进入亚声速时,升力中心的大幅度前移又会使迎角和过载都突然增大;苏霍伊不得不采取了保护性的设计,限制苏-27在跨超声速范围内的性能以避免灾难性的失控和结构破坏。

后掠翼的滚转能力差则同时受到气动和结构两方面的因素影响。从气动上说,由于后掠翼在大迎角下气流首先从翼梢开始分离,因此副翼的效率会随着迎角的增大而降低,直到丧失控制能力。另一方面,滚转时副翼在气动弹性效应下发生的气动扭转,正好与机动所需要的控制力方向相反;所以副翼操纵效率随刚度降低而降低,随速压(与速度的平方值成正比)升高而降低。这足以使刚度特性差、抗扭转能力弱的后掠翼在高速时将滚转控制能力丧失殆尽。最终苏-27的副翼不得不放弃了效率最高的机翼外侧,再加上它的宽间距发动机吊舱设计本身就使得飞机的转动惯量严重偏大,这让苏-27的滚转性能在三代机中属于垫底水平。

三、苏-27的英雄迟暮和S-37的意图

伴随着机载火控、武器系统性能的巨大提升,在新时代的空战中,中低空亚声速下近距离内进行反复的追逐、缠斗、咬尾的现象已经成为历史;谁更敏捷、更能先将自己的机头指向对方谁就能获得胜利。而更高的机头指向能力要求,则意味着战斗机需要更高的瞬间盘旋能力,更快的滚转速度——尤其是大迎角带过载下的滚转速度;而在成为主流空战模式的超视距作战中,战斗机的超、跨声速机动性变得异常重要。

现阶段所有服役的第三代鸭式布局战斗机,全都是以苏-27为假想敌设计的针对性制空机种。欧洲和中国的选择不是巧合,而是在相同性能需求下引发的技术路径高度相似。大三角翼+全动鸭翼布局的战斗机,恰好可以在苏-27的弱点方向获得最强的性能优势——跨超声速机动性能、大迎角大过载大速度下的滚转性能。

事实证明鸭式三代机的设计思路非常有效。在歼-10与苏-27的对抗中,苏-27面对还在超声速阶段就可以拉满9G过载盘旋进行占位的对手显得极其被动,即使在艰难的成功占位以后,对手又会立刻以剧烈而迅猛的带过载滚转脱离,根本来不及锁定。

针对苏-27的缺陷苏霍伊进行了大量的理论研究和实践,三翼面改型就是这种努力下的产物。但既有鸭翼又有平尾,那就意味着兼有两者的重量和阻力、以及配平时的升力损失;这既使得飞机的机动性能提升没有期望中的高,又恶化了飞机携带导弹时的高速性能,还大大降低了飞机的载荷航程能力。

在下一代舰载机/前线战术飞机的预研中,如何保留苏-27的性能优点,但又要克服那些已经被对手牢牢抓住的弱点,就成了研制工作的核心矛盾。S-37验证机就是这类工作中的一个重要部分,它的目标是将三代鸭式机和苏-27的优点结合起来,并完全克服这两类飞机的缺陷——而技术突破方向的关键部分就是前掠翼。

从理论上说,依靠复合材料和气动弹性剪裁技术,前掠翼只用很少的重量代价就能更有效的抑制扭转发散的趋势,从而获得更高的飞行速度,这使它具备了成为高性能超声速战斗机设计选择的基础可能性,促成了70年代末期后的前掠翼研究复苏。