 前途坎坷 神秘莫测
沈阳31001鹘鹰深度观察
薛霸
中国在21世纪以来航空科技发展速度惊人， 2004年底才刚刚研制完成中国第一种第三代战斗机J－10，随后2006年就推出为巴基斯坦研制的第三代战斗机水平的FC－1轻型战斗机，短短6年，2011年1月，第四代标准的大型战斗机J－20在成都黄田坝机场首飞，1年半以后，不甘示弱的沈阳飞机公司则首次展示了另一种新的第四代战斗机——“鹘鹰”，首架飞机编号31001,在2012年 10月30日首飞。
到目前为止，全球发展或者准备发展第四代战斗机的国家有俄罗斯，日本，韩国，瑞典，印度等，而仅有美国完成了两个型号的第四代战斗机的研发，美国第四代战斗机的研发过程被全球所有有志于研发第四代战斗机的国家所揣摩和学习 。在ATF和JSF研发中，美国采用原型机试飞竞争的方式，让国内航空业组成两个不同的集团，形成两个相互竞争的方案，经过验证试飞，雷达信号测试等基础工作以后， 择优选择中标型号。美国式的研发无疑是先进的，两种型号的对比竞争，既有利于确保飞机发展中保证前瞻性性能飞跃，又能避免过渡激进带来的技术瓶颈导致飞机性能和研制经费恶性变化，ATF研制花费400亿美元，JSF计划研制花费1000亿美元。新一代战斗机的研发成本过高是影响新一代战斗机生存的最大威胁，F22战斗机原计划采购约430架，每架飞机摊销研发经费预计9000万美元左右，但是因为采购数量缩减到180架，每架均摊研制经费和采购费用差不多达到2.25亿美元。JSF战斗机则在一开始就吸收了F22战斗机的经验，在研发之前就确定了飞机的成本参数和定额的采购数量，飞机初期意向订单达到1800架，总订单预期可以超过3000架，所以，尽管研制费用更高，设计摊销每一架都不到6000万美元，如果摊薄到总采购数量上可能会低于3000万美元。
中国在进入21世纪以后经济实力迅猛发展，国民收入目前居于美国之下，从绝对金额比较，中国和美国的经济规模还有相当的距离，国防开支方面，中国的军费总额还不到美国的1／6,战斗机需求数量也远低于美国的需求，因此，中国不大可能采用美国式的新一代飞机研发模式。从一些已经公布的官方资料来看，中国采用传统的方案竞争，缩比模型测试的方式来竞争新一代战斗机的设计方案，由于中国只有一个航空工业集团，本身是没有多大的工业级层面的竞争，只有设计研发方向的竞争，因此方案竞争还是比较符合中国国情的。中国的第四代战斗机的研发过程还是很漫长的，美国开始ATF计划时，中国连三代机的研发才刚刚开始，所以，中国很明智的选择了一条多摸索多观察多学习的后发展的道路，1992年，中国开始有第一期自行摸索的新一代战斗机设计成果，其中611所的92D和601所的93案是当时较为出色的成果，这些飞机比当时正在研制的第三代战斗机考虑了一些第四代战斗机的因素，但没有完全成型的隐身设计，只是有采纳了一些外部特征，这一时期，中国考虑在计划于2000年以前服役的 单发战斗机J－10之上，应该研发一种稍微大一点的双发中型战斗机，601的新93是这一阶段的胜利者，它配套了WS－12发动机，推比可达8一级，有无源相控阵雷达的火控系统和先进空空导弹。新93属于一种类似于超级大黄蜂类的三代半战斗机，如果能在2005年前服役，也还是算比较先进的，但是它和第三代战斗机的差距并不太大，由于大型战斗机苏27的引进，中国在很长的一段时间内都不再需要一种新的双发飞机了，新一代飞机转向另一个阶段。
中苏，中俄重新建立正常的关系为长期受到西方技术封锁的中国打开一扇宝藏之门，解体后的苏联急于获得任何可以得到的硬通货，除了核武器外的所有装备都是可以出售的，而更窘迫的学术界也只有把苏联时代积累的研究成果，技术资料打包出售，苏27的引进让中国再度重温俄罗斯的航空科技，在整个90年代，中国和俄罗斯中央流体展开的背景机摸底研究合作，是中国利用俄罗斯现有的技术条件和基础，与俄罗斯一同研究一起享用的空气动力学等基础科学方面的研究探索，而俄罗斯也正好借助中国的资金将自身难以维系的新一代战斗机气动布局研究推进下去。这一阶段， 双方各自都对美国的F22进行了测绘缩比模型试验摸底，并通过双方对照摸底研究成果来相互验证，确定新一代战斗机研制的技术标准。由于试验方法和对某些技术的研究水平限制，初期的设计标准制定相对较低，这一方面是照顾当时技术准备条件不佳，另一方面，俄罗斯也希望通过较低的标准可以推出他们当时已经接近完成的米格142,苏霍伊S37进入外销市场。很显然，苏27出色的系列化升级产物在市场上的畅销消弭了S37之类的生存空间，下一代飞机显然需要更高的标准，中国在考虑到自身基础上制定了自身的研究路线，首先是601的高机动布局案K96,这是一个三翼面的高机动方案，具有无需发动机推力矢量控制就能实现60度以上迎角稳定控制的超级机动性能，这是一个考虑中国航空发动机较为落后的在空气动力学上的妥协方案，K96－K98－2001到最后的四代机竞争沈阳案；另一条技术研究线路是611所92案演变的96,98案，最后进化成为现在在成都试飞的J20，这两条研究主路线作为中国方面的主课题，另外601还保留从新93到F22，F35摸底，到2002案的正常布局的设计路线，作为前两种设计方案的技术储备，正常布局的飞机在机动性和大迎角超机动控制方面不如三翼面的，但跨音速阻力、亚音速航程，加速性等方面还是有可取之处。
中国的第四代战斗机竞争早在2008年就落幕了，成都611所的J20赢的了发展机会，在第三代战斗机和第四代战斗机上， 611所的锐意进取都得到最丰厚的回报，它从中国最落后规模最小技术实力最差的一个小研究所一跃成为中国战斗机的摇篮，先进航空技术的中心。而作为原来中国航空科技中心的沈阳601所失去第四代战斗机的合同以后虽然有苏27的国产系列化飞机的后续工作，但是他们从90年代以后就没有自有飞机型号研发，长此以往，601所可能会完全失去独立研发战斗机的能力。中国航空工业集团从自身的战略利益出发，决定自筹资金让601在正常布局基础上研发一种针对于下一代战斗机外销市场和国内低端市场的中型战斗机。
谈论所有的第四代战斗机的时候，都不可避免的要把F22拿来作参照，美国的F22是到目前为止技术最先进，设计最完善，性能最好的第四代战斗机的标杆。F22所采纳的技术大多数都被认为是第四代战斗机所必需具备的条件。在ATF时代，第四代战斗机从超视距空战的角度出发，提出了4S的概念，即 Super Maneuverability超级机动、Super Sonic Cruise超音速巡航、Stealth 隐身、Superior Avionics for Battle Awareness and Effectiveness超级作战效能（最初的美国空军提出的是STOL短距起飞，但实际上后来要求更多集中在飞机使用更少地维护人员和工时，更少的外勤支持设备和最小的起飞降落运作场地，高再次出勤率等众多涉及到总体作战效能的后勤参数，所以这一条在F22服役后由洛马在对外宣传中改成超级效能）。F22出现以后，世界各国才慢慢找到第四代战斗机的发展脉络，在对4S排序中，隐身的重要性被提前和高度重视了，电磁隐身能力作为对当前侦查瞄准火控体系的破坏者，它针对几乎所有的敌人的防空设施都能发挥高效能，它被认为是不可或缺的标准，也就是说，4S中，其他3S的性能即便不具备，只要具有隐身能力，很多国家，包括美国，仍然认为其符合第四代战斗机的标准，这是主要是因为其余的3S本身并不具有划时代的进步意义，很多第三代战斗机都部分具有这样的特性，这些特性仅仅针对飞机目标效能最大，而隐身则是面对整个防控体系都能获得最大效能。基于这种理解，美国诞生了F35,这是一种只保留4S中隐身能力的第四代战斗机，它抛弃了其余3S的高标准，转而大幅度增强多用途能力，强化隐身所附加的战斗效能，可以这样说，F22的设计目标是对付敌人的第四代战斗机，而F35则是对付敌人的第三代战斗机和所有的可以攻击的地面海面的目标。
F35的诞生带来另外一个有趣的现象，F22树立的4S标准是一个非常高难度的目标，它几乎要求当代最先进的气动、控制、结构、动力、材料和隐身技术的高度综合， 除了美国以外，其他国家在F22首飞以后20年都没有具备完全，比如俄罗斯，他们的新一代战斗机从苏联时代的米格142,S37就不断在向外展示，到了现在的T50,他们所表现出来的设计和技术能力仍然不能达到和F22匹敌的同级水准，T50可能在超级机动，超音速巡航方面有所擅长，但在隐身和超级效能方面，距离合格还差得很远，而中国的J20,同样是因为动力系统水平差距太大，所以选择了一个另类的气动布局，企图实现4S综合能力，他们现在都还是原型机，距离实用化的型号还有些路要走， 也许他们会在F22首飞20年后或者25年后的某天追赶上美国的脚步。既然俄罗斯和中国都没有这样的能力，别的国家更不用想了，F35的降级，让所有没有办法在4S上突破的国家思考，如果不能匹敌F22,那么能不能追上F35？也就是说，只完成4S中隐身这个环节，其他的性能比第三代战斗机略有进步或者持平，这样的飞机，虽然不能和F22相比，却可以和F35相提并论。日本的心神，韩国的KFX，瑞典的FS2020都是这样的产物，31001也是如此。
我们来研究一下气动布局，31001和F35,F22都属于中等后掠角小展弦比梯形翼的正常有尾气动布局设计，都具有第四代战斗机气动技术的一些特征，在第三代战斗机上， 涡升力刚刚开始应用，电传飞控的先进控制技术也刚刚尝试，第三代机的涡升力较为简单，通常都是一个单一的在机翼前的边条作为唯一的涡发生源和机翼整合成边条翼，而第四代战斗机的气动技术上更进了一步，第四代战斗机将机身也同样作为飞行的升力构件考虑，它往往会有多个涡发生器件，至少需要融合2个以上的涡系。以F16为例，它的机翼前的边条提供一对涡系，而F22则会由船形机头棱形成一对涡系，机翼前的窄长边条形成另一对涡系，第四代战斗机的空气动力学技术难就难在要让这两对涡系既能各自分工各自发挥作用，又能相互进行良性影响，提供更宽广的工作范围，特别要实现在这些性能区域是必须控制有规律且平稳可利用的。F22的机头侧棱角度大，边缘棱角略圆钝，正常飞行的小迎角内，不会产生明显的涡，飞机主要是有升力体机身和机翼提供正常的升力，而在一定迎角范围内，比如15－30度间，机头涡细而且长，涡升力作用于机身弱于机翼边条的组合升力效果，30－45度时，正常的边条翼涡已经出现破裂，机翼会出现失速，而F22的机头涡由于涡旋细长，涡旋持续能量较强，会诱导和与机翼涡重合，给机翼涡补充能量，大大延迟机翼涡的破裂迎角，这个时候飞机机身和机翼都同时产生巨大的升力，45－60甚至更大的角度，机翼涡破裂，机翼进入失速区，机头涡还有部分能维持，让机身产生一定的升力，这部分的升力还足以维持飞机在这个迎角区域飞行，但接近机动能力的极限。F22的多涡系的相互配合，让飞机在具有很小的超音速阻力的同时具有超强的大迎角飞行能力，在F22试飞过程中，洛马公司曾表示F22的大迎角能力优异，即便是推力矢量控制不参与的情况下，飞机仍然有稳定的飞入60度以下任何一个角度的能力，并且能保持这个迎角下滚转的能力，这是一个前所未有空气动力学上的成就，它标志着人类对复杂涡系的研究和利用大大的前进了一步。
F22如何实现多涡系完美利用的？奥秘在机头，机身，机翼，V形垂尾。首先，由于隐身飞机的特异要求，机头，前机身不可避免的要采纳船型，菱形等类型的截面，这样的前机身比三代机时代的圆机身会很容易的在棱线处产生一对或者多对涡，机头涡在绝大多数时候都不是好现象，它产生的位置和流向会严重影响飞机升力中心的位置，特别是如果机头长度较长，它会让飞机的气动中心在不同的迎角时产生很大的位移，且产生不规律的升力系数变化。特别是如果其后还有其他边条类设施时，机头涡会常常产生无规律的耦合和不耦合的气流变化，让飞机产生突变的控制规律。F22的设计非常巧妙，在气动方面，它把升力区分成了两个区域，机头＋机身为一个区域，边条＋机翼是另外一个区域，F22的边条翼设计和普通的三代机的基础研究没有多大区别，而机身采用了低阻的升力体设计，可以看作一个较厚的机翼，而机头则是机身这段“机翼的”边条，气动研究和设计时，可以把这两个部分分开来单独设计，这个时候，这两个区段和普通的三代飞机的气动研究没有区别，气动设计时，只需要综合两者的气动焦点处于接近或者一致的位置，就可以分别获得同升力中心的一个稳定的控制规律的身翼组合，分开研究的主要意义在于对机翼，边条，机身体等构件的基础分析可以被大大简化，特别是在一系列设计的跨超音速阻力研究和参数优化方面有非常重要的意义。
分开容易，组合到一起就不容易了，尽管F22的机身宽大，机头流场对后面机翼的干扰是不能忽视的，F22的研发过程曾经花费大量时间对身翼组合的精确尺度进行了大量的风洞试验，目的是摸清这种布局下的流场相互干扰的规律，从而精确调整机身长度与宽度，各段涡发生器的位置和涡发生强度，以及涡耦合以后产生的升力斜率和横向和纵向稳定性变化。F22依靠大量的实验基础和现金的控制手段，成功的融合了这种多涡系的空气动力技术。但是，也正因为控制技术的复杂，F22的飞行控制系统设计非常复杂，较3代机的控制程序编写行数多了16倍，在飞机使用过程中还发生过控制率方面的事故。
俄罗斯秉承苏联时期的跟踪超越的设计思路，对F22所应用的气动技术展开了广泛的研究，俄罗斯第一个多涡系的设计是苏霍伊设计局的S37验证机，这架飞机上苏霍伊设计局非常有前瞻性的将4个边条通过一个可调的前翼巧妙的统一起来，加上采用了天生对大迎角稳定的前掠翼设计，飞行和验证非常成功，只是因为在隐身和超音速性能方面还有缺陷，没有继续发展，但是苏霍伊设计局凭借这个飞机的技术验证，有力的压制了还处于简单气动技术设计的米格142验证机，获得了下一代战斗机设计控制权。T50的气动实际上和F22如出一辙，同样是4涡系的设计，俄罗斯在某些技术领域方面有所长，有些方面有所短，T50的机头比较修长，且机翼后掠角较大，这样容易出现大的气动不稳定性，俄罗斯设计的巧妙之处在于，不采用高风险高难度的先进控制来约束这种不稳定，而是简单的在承接机头涡和机翼涡连接过渡的区域设置了一个可调的部分，这个部分的工作原理和襟翼类似，一方面可以减小在一定迎角范围内的分离现象，减少涡对正常飞行状态的影响，另一方面可以调整机头涡对于机身，边条涡对于机翼的发生位置和强度，从而获得更为稳定的控制率，简化电传飞控系统的设计难度，提高飞机在各类迎角的稳定飞行能力，仅从气动而言，俄罗斯的设计比F22更巧妙，解决问题的办法更简单和直接，但是T50的这个特殊设计也会在隐身方面付出巨大的代价，是不是一定设计效果好于F22，还需要时间来验证。
F22这类设计涡在机身和机翼上表面流动覆盖的区域大，对垂尾的设计是一个考验，为了提供足够的稳定性，垂尾最好是处于不受干扰的气流中，考虑到方向舵的力矩，这个位置最好比较靠后，但是F22这类设计的涡流越往机身后越厚，气流流场越复杂，引起横向不稳定和非线性越明显，要么把垂尾尽量提前到可以直接处于干净的非扰动流场中，要么就只有拉长机身，让垂尾处于后方很远的位置，避开涡流效应强的区域。
F22选择了前者，因为它机身长度不足以提供比较弱的气流区域。垂尾前置还有一个很强大的理由，当V形尾翼处于迎角中，V尾上表面会产生一个低压区形成向上的升力，因为垂尾通常都在重心之后比较远的位置，这个向上的升力会给飞机一个低头力矩，大大削弱飞机的升力效能，降低飞机的机动性，把垂尾往前放，减小了力矩，可以大大缓解V尾的这种不利现象，由于V尾的前移，方向舵的力矩效果降低，所以F22选择了一个比较大的垂尾，前移垂尾可以获得一个附加的效果，它在飞机处于大迎角时不容易被机身屏蔽，可以在比较大迎角范围提供稳定性，而且它的方向舵在大迎角时，用于控制飞机滚转的效果非常好。俄罗斯的T50比较有趣，它选择了全动的V尾，全动既可以随动于气流变化，又可以灵活的参与水平或者横向的配平，可以有效的减小尾容，但是它也对飞控设计提出了较高的要求，对飞机的纵向稳定需要主动控制，这也是前所未有的。
31001和F35有些类似，他们没有象F22,T50,J20那样要求4S，对于他们来说，一招鲜吃遍天，有隐身这个S就足以让其跻身四代机的行列。31001机身较长，为了减小控制难度，机头的船形棱角角度较小，且更为圆钝，和F22和F35相比，前机身显得比较长，机头侧棱的设计在向弱化机头涡方向处理，进气道采用目前最流行的DSI无附面层隔板进气设计，这种设计最大的优点在于在同等条件下，由于取消附面层隔板和通道，容易做隐身设计处理，且进气口都是固定的无可活动件，重量也最轻，它和F22那一类尖劈正激波进气道相比，进气口的上表面和机身的升力体融合度要略差，有个内斜角的唇口需要做结构隐身设计。31001的DSI设计比F35的要更简单和原始一些，只考虑了对称流场，没有考虑倾斜机身的于压缩能力，也没考虑机头涡的附面层抽吸能力，因此鼓包在进气道的正中，而F35则在偏上侧，相比之下，F35的鼓包突出更小，阻力更小。
31001的机身也有一定的升力体效果，但是可能是考虑发动机的安装和内弹仓的宽度，31001的发动机布局采用了分离式的布置，两台发动机占据了机身的宽度，这和F22并拢双发的设计有较大差别，F22和F35,机身通过后尾撑形成机身的后延段，且在后延段末端设置全动平尾，平尾不仅可以调整机身升力体的气动中心，还在很大程度上相当于机身的襟翼，可以大大提高机身升力体的升力系数，实现高升力低阻力的设计效果，从这个方面而言，31001在空气动力设计技术方面还停留在第三代战斗机水平上。31001气动设计上更主要凸显机翼系统本身的气动设计，它有第四代战斗机中最明显和最大的边条，一对中等后掠角小展弦比的机翼，
四代机的机翼设计是一个比较难取舍的方面，第三代战斗机时发现正常布局中中等后掠角三角翼配合边条有较好的跨超音速性能，是在机动性和高速，大航程的要求下综合性能最好的一种，但是每一种四代机的设计都有各自的特色，比如F22,虽然采用了40度的后掠角，但是要被超音速巡航的飞行要求所约束，只有选择很小的展弦比，使用薄机翼，换取较小的超音速阻力，这些做法会影响飞机的航程和低速机动性，F22采用较大的机翼面积换取小翼载来实现机动性目标，而航程则只有多装燃油。F35更注重亚音速巡航的航程，因此要采用较大的展弦比，在隐身飞机的梯形翼形限制下，只有采用后掠角较小的机翼，较大的根稍比，31001的机翼面积设计还是比较大的，后掠角在40度左右，这显示其还是比较重视亚音速机动性，比F35更倾向于战斗机的防空职能，飞机采用很大的根稍比，以图尽量增大翼展，提高飞机展弦比，这又展示出飞机设计宁可付出阻力代价也要换取航程方面的性能，机翼还采用了前缘襟翼和襟副翼，襟副翼设计出现在第三代战斗机，是电传飞行控制系统出现以后才出现的事务，最大的优点是一块单一叶片代替襟翼和副翼，舵面面积大于单独设置的襟翼和副翼，有利于飞机的机动性控制，通常这类飞机会采用平尾差动弥补襟副翼在大机动状态时的横向控制舵效不足的问题，
襟副翼也有些缺点， 首先是没有单独的横向控制舵面，当襟翼需要时，又需要横向控制时效率就会大大下降，这个设计往往表现在当飞机带迎角需要滚转时，控制尤其不利，带迎角滚转是四代机最重视的超机动和敏捷性的基础。曾经有谣传说31001是为了舰载机而研发准备的，从襟副翼来看，基本没有这个可能，舰载机更需要起飞时的全展襟翼能力，襟副翼的展长还是不及襟翼副翼加起来的长度，同时也不能在起飞襟翼放下时提供横向控制的能力，从这一点来说，31001的设计目标实际上还是用于对空防御于为主。31001定位于外销，从最近几年的美国红旗军演来看，具有隐身能力的飞机在对抗第三代战斗机为主的当代空军时，几乎可以在完全不被发现和预警前完成攻击，只有很少的时候才会卷入近距空战，在近距空战中，即便是比三代机有巨大机动性优势的F22也不能确保绝对的胜率，但是军演的结果也表明，即便F22的机动性并不能帮助其获得完全的压倒性优势，但机动性较好的F22比性能较差的三代机更容易主动脱离空战。 |
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发表于 2015-3-6 08:10
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楼主
发表于 2015-3-6 08:51
