沈飛呼聲最高的「雪鴞」四代機機動方案為何會被成都「威龍」大翻盤?

2021-01-12 電子發燒友
沈飛呼聲最高的「雪鴞」四代機機動方案為何會被成都「威龍」大翻盤?

工程師黃明星 發表於 2018-08-20 10:37:18

殲10B戰鬥機,採用了先進的PESA雷達和航電設備,加強了機身,成為第一款國產空戰轟炸雙重戰鬥機

由於成都所當時主要任務是發展J10戰鬥機,所以,新一代雙發戰鬥機主要由北方所承擔,但是為了預防風險,同時讓成都所也提供了一個備選的方案。這些古老的研究方案現在逐漸有資料公布,北方所主打研究的中等後掠角切尖三角翼正常布局的飛機是當時認定最有希望的發展方向,成都所所提供了一個兩側進氣的鴨式布局雙發方案作為參考。1990年ATF計劃驗證機亮相,YF22,YF23魔幻的外形和拋離所有國家的先進理念對研究形成影響,新一代飛機也被加入考慮隱身方面的要求,1992年中俄達成一系列航空技術合作協議,其中一項合作是基於新一代飛機的氣動布局研究。之後幾年,國內對之前的成果做了一個總結,對北方所的92,93方案和後來補充的新93方案進行了結題。

殲9戰鬥機是成都的戰鬥機的鼻祖,殲10和殲20都在上面發揚光大,專心做一個布局不動搖是成都成功之道

重新開始的新一代研究是個全國大布局的協作,老大所作為學術小組領導者總體牽頭,具體分工上,正常布局和三翼面布局方向,由瀋陽,北航,中央流體主要負責,鴨式布局由成都所,626所,西工大承擔。基礎研究由瀋陽,北航,南航,中央流體負責。這項計劃6瀋陽所研究了從新93發展而來的常規布局K94,K96方案,然後又研究了三翼面的K96和K98方案,其中K98方案實驗數據最佳,在世紀之初形成一個飛機基本設計方案;而成都所則主要研究鴨式布局,他們的研究主要在國內完成,626是主要合作單位,成都主要嘗試了邊條在鴨翼前和在鴨翼以後的布局,從而獲得96和98兩個布局,最後一個邊條在鴨翼後的方案最佳。

新世紀初對外氣動布局研究基本結束,飛機進入到實際原型機設計,北方所工作進度較快,短短幾年就完成基本設計,製造了一個全尺寸模型,這個巨大的飛機模型是第一次向外界展示中國絕密的隱身的先進戰鬥機模型,一時之間聲名大噪,許多國家高層領導和軍隊領導都參觀過,並給予高度評價,最後沈飛獲得一個前無古人後無來者的純以設計方案就作為成果的部級科技進步特等獎。

僅僅憑藉PPT和木頭模型就獲得無數好評,輕易喪失了判斷力,瀋陽上下都一副板上釘釘的超自信

2008年前後幾年,國內真正的最後的刺刀見紅的四代機競爭開始了,沈飛的決定以最擅長的三翼面設計「雪鴞」參與競爭,這個設計在四代機氣動階段是綜合性能最好的一個,而成都所以傳統的鴨式布局「威龍」參與競爭,儘管沒有美國ATF那樣真的造個驗證機出來PK一遍,但這次競爭是國內首次採用競標式的戰鬥機研製對飛機的各項指標不僅進行理論評議,還要進行一定程度的實驗驗證,結果最後大家都知道了,成都所又一次臨場大翻盤,威龍成為最後的J20,呼聲最高,影響最大的雪鴞惜敗。

23m長的大傢伙,總師認識技術潮流有偏差,重機動輕隱身,採用了太複雜的氣動設計,最終慘敗

做一個事後諸葛亮,我們來看看雪鴞的氣動布局。

三翼面布局,是在常規布局基礎上增加一個前翼,和現在廣為傳播的說法不同,三翼面布局和同樣有前翼布局的鴨式布局其實一點關係都沒有,兩者氣動現象和氣動規律幾乎完全不同。三翼面布局最初是常規布局在從靜安定飛機跨入靜不安定飛機時採用的一個臨時的研究布局,簡單的在現有飛機機翼前加裝一對全動的小翼,以為在原氣動中心前增加了升力面積,升力中心前移,就會造成飛機從靜安定的變為靜不安定的,F-4CVV,F-16ATFI,F-15MACT,F-8IIACT 都是這樣的改進路子,這些飛機都是研究的試驗品。

美國最早將F15改成三翼面戰鬥機,引領了世界潮流,結果俄羅斯和我國紛紛跟進

俄羅斯蘇30戰鬥機,採用了三翼面,機動性有不少提高,這也是瀋陽採用三翼面的促進因素之一

雪鴞的氣動布局採用了CARET尖劈乘波固定進氣道,尖細窄邊條,前翼,雙後掠機翼,平尾,雙外傾垂尾。從氣動布局上來說,三翼面布局的基礎還是正常布局,前翼位於機翼和邊條之間,和鴨式布局不同,三翼面的前翼有調整飛機氣動中心的作用,因此不能讓前翼處於失速狀態,一旦象近距耦合鴨翼一樣先失速,那麼飛機氣動中心會立刻後移,飛機會立刻變的遲鈍,加大平尾的配平壓力,所以,在三翼面氣動布局中,前翼的控制規律是要保證前翼的升力不能發生大的波動,所以它很多時候都是象前緣襟翼一樣下偏,由於機翼的上洗,前翼即便是下偏,其真實迎角也是正的。

雪鴞模型,明顯看出採用了類似F22的機頭,進氣道和機身設計,升力控制面採用三翼面

帶大邊條的三翼面布局,邊條在前翼之前,在大迎角時,邊條渦可以推遲前翼的失速,前翼的偏轉可以一定程度平衡和調整邊條渦產生的升力線性升力斜率,邊條渦結合前翼下洗流,不僅可以延遲邊條渦破裂的時間,而且可以讓渦流在很寬的迎角範圍保持一個相對穩定的強度,所以三翼面布局可以在很大的迎角範圍獲得可控制的能力,但是這個取決於飛機總體的設計和飛控的設計,通常的帶大邊條的正常布局可用迎角一般在26度左右,可控迎角30度以內,先進控制的飛機可以達到45度,三翼面飛機可以比較容易的達到60度迎角可控,極限情況下90度迎角都有還具有一定控制能力。

三翼面布局在低空遇到不穩定氣流時,氣流先通過前翼產生升力趨勢,而這種趨勢和機翼的趨勢相反,而氣流到了機翼,又和前翼和平尾相反,到了平尾,和前面兩個翼面相反,因此,三翼面有天生的穩定紊亂氣流的能力,適合低空飛行。三翼面布局多了一個翼面,屬於高升力布局,但是,由於前翼和機翼相互間有幹擾,三翼面布局升力係數高,阻力係數也高,它可以允許飛機設計師選擇較大的翼載荷,設計較小的機翼,但是它比常規布局更依賴發動機的推力。

俄羅斯的三翼面飛機經常做飛行表演,機動性很不錯,但是特別坑發動機,推力小玩不轉

回到雪鴞,因為飛機阻力比其他布局都大,因此設計師想從機翼上做文章,但是機翼設計是非常重要的,它決定一架飛機的基本性能,不管是常規布局,還是三翼面布局,機翼在40度左右的前緣後掠角是最佳性能區域,但是要飛機超音速阻力小,要麼大幅度減小機翼面積,結果是機動性變差,要麼是增大機翼前緣後掠角,601的設計師想了一個折衷的主意,他們採用了一種古老的機翼設計,雙三角翼,這種設計在J7E上就被採用了,它是邊條翼氣動布局的前身,機翼由大後掠角的內段,和小後掠角的外段構成,它的阻力介於兩者單一後掠角之間,升力大於單一的後掠角機翼,嚴格的說,這種古董設計技術有點逆科技潮流,因為雙三角翼的效果其實後來的邊條加機翼的組合已經能更好的完成了,在有邊條的情況下採用雙三角翼的效益並不明顯。

成都殲7E戰鬥機採用雙三角翼,大大提高了機動性和航程,也深深打動了瀋陽的設計師

雪鴞的氣動布局有一個巨大的難題,邊條從進氣道唇口開始,然後要累加前面邊條,前翼,機翼,平尾,這一串氣動元件必須串列在一條直線上,這讓飛機長度變得非常長,尤其是雙三角翼的翼根弦長更大,加劇了這個矛盾,最終601的雪鴞是一個長度超過23米甚至24米以上的龐然大物,飛機比J82,蘇27還要長的多,這樣一來飛機就更重,需要更強大的飛機推力。

和最後的J20相比,雪鴞構形複雜,飛機尺寸巨大,對發動機依賴高,必然導致最後的飛機成本高,超音速巡航性能低,飛機的推重比低,進而影響機動性,另外隱身控制方面601對技術的掌握和理解程度有所偏差,對飛機隱身方面設計優化不足,幾乎是必然輸掉了競爭。

當年瀋陽和蘇霍伊設計局關係緊密,設計師受其影響很大,對於隱身的要求也類似,推出的飛機都是不隱身的怪物

有美國和法國的同行最後看到了新聞和公開的論文資料以後感嘆說,601所選擇了一堆落後的氣動技術堆積出一個競爭先進飛機的架構,輸在了起跑線上。

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