殲20這項指標世界第一是怎麼煉成的?

2021-02-15 瞭望智庫

2020年7月15日,國家知識產權局公布了第21屆中國專利獎評審結果,殲20「升力體邊條翼鴨式布局」外觀設計專利榮獲中國專利獎外觀設計金獎。這是航空工業成都所首次獲得專利領域的國家級獎項。

著名空軍裝備專家傅前哨公開談到殲20採用了基於渦流控制技術的升力體機身、鴨翼、邊條、機翼、後機身邊條、外傾雙腹鰭和外傾全動雙垂尾的一體化非常規氣動布局,其控制和受控渦流至少包含機頭鰭角渦流、進氣道鰭角渦流、鴨翼渦流、邊條渦流和機翼前緣渦襟翼渦流等——複雜多渦系的互相耦合,若設計水平高,控制得當,將產生巨大的升力收益和減阻效果(顯著超過使用升力體機身、邊條翼、鴨翼三者中一種或兩種時)!其升力係數不小於2.1-2.2,世界第一。而在同等設計水平時,鴨式布局的阻力係數比常規布局小10%左右,同時殲20機身長細比較大,截面積較小,也利於減阻。

從宋文驄院士的相關論文中,利用所給相關參數推算其升阻特性,結果類似。常規布局的F22公開升力係數為約1.7,超聲速巡航零升阻力係數約0.035:我國曾用高精度(測繪仿製)縮比模型進行風洞試驗,所測數據近似。殲20的升力、阻力係數明顯優於F22。

殲20採用了基於渦流控制技術的升力體機身、鴨翼、邊條、機翼、後機身邊條、外傾雙腹鰭和外傾全動雙垂尾。

本文轉載自微信公眾號「兵工科技」(ID:binggongkeji),原文首發於8月20日,原標題為《殲20升力係數世界第一是怎麼煉成的,氣動布局的先進程度超乎你的想像》,不代表瞭望智庫觀點。常規布局中平尾操縱飛機抬頭時,要向下偏轉產生負升力,壓下機尾,屬於加載舵面。但飛機有正迎角之後,將部分抵消平尾負迎角,降低其效率。平尾距飛機重心一般比早期鴨式布局鴨翼距重心大,操縱力矩有時較高。但殲20屬中、後期鴨式布局,其鴨翼面積較大,距離機翼較遠,中間以邊條過渡,既能利用不同氣動面產生的多渦系幹擾提高飛機升阻特性,還有效加大鴨翼和飛機重心間距,提高了操縱力矩,正常迎角操縱效率不比平尾差。

鴨式布局的阻力係數比常規布局小10%左右,同時殲20機身長細比較大,截面積較小,也利於減阻。

殲20還有較大面積的後機身邊條、外傾雙腹鰭和外傾角較大的全動雙垂尾。在大迎角時,後機身邊條能提供一定俯仰穩定性和低頭力矩;外傾雙腹鰭位置較低,不易受機翼湍流影響,能提供一定橫側穩定性和低頭力矩;全動外傾雙垂尾因有效舵面面積大,也可起平尾的部分作用。


外傾全動雙垂尾的採用,顯著提高了飛機的偏航操縱能力,也兼具一定的類似平尾的俯仰操縱功能。由於整個垂尾都是有效舵面,垂尾面積大大縮小,可明顯提高隱身能力,並有效減少氣動幹擾和阻力。這明顯優於外傾常規雙垂尾(僅方向舵可偏轉,F22/F35採用)。

作為氣動布局重要部分,殲20採用兩側偏下布置無附面層隔板進氣道。該進氣道利用複雜形面鼓包)對來流進行多次折轉並處理堆積的附面層,屬於多波系超聲速進氣道,其基礎性能高,優化設計後成功避免了進氣道S型轉彎導致的氣流局部損失增加,總壓恢復係數下降。

由於殲20是上單翼,且機身採用升力體設計,進氣道受有益氣動幹擾,大迎角性能接近兩側肋下進氣道或腹部進氣道,可充分發揮太行改的性能,提供更大的穩定工作裕度。

作為氣動布局重要部分,殲20採用兩側偏下布置無附面層隔板進氣道。

在該機設計初期,後機身邊條後緣可上下偏轉,但在風洞試驗和試飛中,發現沒有必要。所以,殲20也可算作三翼面飛機,兼有常規布局和鴨式布局的優點。該機可完成對常規飛機稱為大迎角過失速機動的動作,此時仍穩定可控。公開出版的瀋陽所院士回憶錄談到:90年代末隱身戰鬥機方案競爭和風洞實驗時期,我國根據F22宣稱的大迎角性能,提出一項主要戰技指標是我機在60-70度迎角時仍有較好的穩定性和操縱性。儘管雙方方案均達到指標要求,但成都所擊敗了瀋陽所,這只能說明前者性能更好。
因殲20研製年代較晚,有技術上的巨大後發優勢,該機空重成功控制在15-16噸級:可利用我國新建的世界最大的8萬噸級模鍛壓機,單缸壓力世界首位的4萬噸級的模鍛壓機,以及多種數萬噸級的拉伸機、擠壓機和一些新型鑄造設備——這些傳統加工設備均優於西方。還大量採用新技術新工藝:液態金屬(特別是鈦合金等航空材料)電磁約束成形技術,金屬超塑成形技術,金屬3D列印技術等。該機空重明顯比F22輕,翼載荷較小。2017年,採用太行改進型發動機的殲20投入批產,圖片在網上公開。該發動機單臺全加力推力140-142千牛,賦予殲20不亞於強敵的推重比,帶來了超聲速巡航和機動性等方面的收益。
若飛機升阻特性不夠高,翼載荷較大的話,即便推重比不低,在完成一些大機動動作時,也必然有劇烈的高度和速度損失,這在追求保持能量的現代空戰中尤為不利。殲20早期型(空軍2015-2016年接收)在2018珠海航展上,以作戰機動動作進行飛行表演。通常包括編隊超低空通場,單機爬升接半滾倒轉,單、雙機小半徑盤旋,單機大迎角爬升等。該機除大迎角爬升時開加力(直觀看為噴口噴火)外,基本未開加力。早期型殲20發動機推力較太行改小,未採用推力矢量技術。

殲20通常在超低空通場後,以超過60度迎角拉起,接一個半滾倒轉,在3秒內將機頭指向改變180度,其機頭轉向角速度可達60度每秒以上。該機此時,速度未出現明顯變化,高度還在較快增加。與之相比,F22完成該動作時,速度明顯下降,高度增加較慢,機頭指向能力雖然接近我機,但以能量損失為代價。

殲20通常會連續進行三次小半徑穩定盤旋,盤旋半徑逐次減小,第三次大約150米,4秒左右完成半圈180度盤旋,過程中該機的速度、高度基本不變。此時穩定盤旋角速度不小於45度每秒,可用公式算出其飛行速度近120米/秒,馬赫數略大於0.35,穩定盤旋過載近9.5g:遠超瞬時盤旋角速度勉強達30度左右的三代、三代半飛機。類似的機動動作,F22藉助推力矢量也可完成,但會明顯地掉高度、掉速度。

殲20飛行表演時,各氣動面拉出的渦流。

殲20還在盤旋、爬升等機動過程中,進行了多次主、側彈倉的同時開、閉,展示了中遠程的PL15和中近程的PL10空空飛彈。此時,該機的速度、高度基本不變。而在F22的飛行表演中,同時開、閉主、側彈倉,會有明顯的高度和速度損失。

殲20每次表演結束告別時,均拉70度以上迎角高速爬升(向前同時向上飛行),整個飛機上表面都是各氣動面拉出的渦流(表演空域靠海,空氣溼度大,渦流引起空氣密度變化後水汽以霧滴析出,人眼得以觀察到渦流)。由於迎角很大,機翼很難產生足夠的正常氣動升力,主要靠各氣動面拉出的高速脫體渦增升。該機從超低空拉起到穿雲,僅用3-4秒,根據當時當地氣象條件如雲底高等估算,其平均爬升率超過500米/秒。

與之相比,F22最大爬升率在300-400米/秒,差距明顯。原因是其常規布局大迎角升阻特性不夠好,升阻比較低,僅靠發動機增速不夠。該機爬升時,自重減少較慢(武器投放和燃油消耗),但阻力和速度平方成正比,還與氣動幹擾有關,速度增加後,阻力增加較快,升力增加卻不夠多,發動機剩餘推力一般又小於飛機空戰重量的30-40%,阻力、重力會迅速和升力、推力達到平衡,爬升速度不再增加。

正如專家傅前哨所言,飛機飛行性能首先取決於氣動,氣動特性好,裝上好的發動機可以錦上添花;即便發動機差一些,氣動也能在很大程度上彌補;若氣動特性較差,發動機再好,能彌補的也有限。

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