海飛絲模型觀察

2021-02-06 方方的航空小築

        近日網上流傳一張據說是海飛絲的模型照片。是不是,這裡不做評論。下面僅就模型本身觀察到的一些特點探討一二。

        1)機身大小

        利用近似角度3D模型作為中介,對比一下海飛絲和鶻鷹2.0的大小。

      可以看到,在機頭對齊的時候,兩架飛機尾端都大致在20垂尾前緣附近。可以說長度基本上沒變。

        

        將進氣道唇口尖端對齊,可以看到鶻鷹2.0與20唇口尖端仍有間距,而海飛絲則幾乎與20重合。就此來看,海飛絲的機身寬度明顯增加了。

        這樣的話,海飛絲增肥是必然的。之前多篇文字探討過艦載機中型與重型各方面的差異問題。如果海飛絲真的增肥,那就說明艦載機增重的趨勢不可逆轉。

        

        2)機頭·座艙

       如果以飛行員為基準對齊,那麼飛行員之前的機頭長度為:海飛絲>20>鶻鷹。以座艙高度來說,海飛絲也是最高的。那麼原因何在?首先,應該是改善方向穩定性的要求——老航迷如果有印象的話,大概還記得當年從YF-22發展到F-22時也有類似的修改。同時,作為座艙後移必然損失下視視界,這對於艦載機來說尤其不可接受,所以升高座艙作為補償。當然由於座艙升高,導致重心前側面投影面積增大,同樣會損失方向穩定性,所以這個度的把握就看設計團隊的了。

        

        3)進氣道

      

    保持機頭對齊,可以看到海飛絲的進氣口後退了很多。箇中原因,個人以為,主要還是為了改善方向穩定性——當年YF22到F22也有同類修改。    

       4)機翼·邊條

        鶻鷹和海飛絲都是機身窄邊條,進氣道頂點也可以看作邊條起點。在頂點對齊的情況下,可以看到,海飛絲的邊條長度>鶻鷹。究其原因,還是由於機翼後掠角減小導致根弦長度縮短造成的。

        

        海飛絲的機翼後掠角明顯小於鶻鷹,而翼展則要大得多。由上圖可見,該機翼展已經接近20了,相比之下鶻鷹翼展則要小得多。所以,海飛絲機翼採用三段摺疊也就可以理解了。

        至於海飛絲為什麼採用這種機翼,個人以為最主要的原因就是艦載適應性的要求。作為艦載機,起降性能是最基礎的要求。起降性能滿足不了,其它性能再好也沒用。海飛絲的這通大改,減小後掠角、增大展弦比、減小根梢比,以及圖上看不出來但必然會有的開縫襟翼,都是衝著低速飛行性能去的(當然對改善飛機巡航性能也有好處)。某種意義上說,海飛絲的機翼跟蟲子很相似。


    然而有得必有失,由於採用中小後掠角,海飛絲需要面對以下問題:

    a)基本設計決定了這種機翼的高速性能不佳。也即是說,預計海飛絲在艦隊防空截擊方面表現不會好。這其實也就是超蟲當年替代大貓時面對的問題。

        對艦載機來說,低速起降和高速截擊是一對永恆的矛盾,衝突之處即使以四代機的技術水平也無法在固定翼上完美解決。所以當年的NATF,我們看到的還是隱形大貓。


    b)為了改善高速飛行性能,必然採用薄翼型。因此機翼中、外翼段只能是幹翼設計,不能載油。當然,由於機身寬度高度增加,新增的容積應該可以彌補這方面的損失還有富餘。

    c)大迎角性能損失。與邊條翼最佳匹配的後掠角在40-42度左右,後掠角減小,機翼失速迎角減小,上表面氣流未達到最大有利幹擾迎角就開始分離了。按常規來說,海飛絲的大迎角升力特性應該是不如鶻鷹的。

        當然,影響後掠角選擇的因素很多。比如當年YF22,選擇48度後掠角,主要考慮超巡的影響;而到了F22,改為42度後掠,則是更多考慮巡航性能的要求。

        d)超音速時焦點後移大,產生更大的低頭力矩,導致超音速配平阻力增大。

            5)平尾

        

        從RCS控制的角度來說,海飛絲的平尾必然與機翼保持同樣的外形,也就是中小後掠角梯形翼。如前所述,這種平面形狀的機翼高速特性較差,大迎角特性較差。 

        這就帶來兩個嚴重的問題:

        a)超音速縱向操縱問題,也就是超音速後平尾偏轉更容易發生分離,極端條件下可能出現偏轉越大操縱效率越低的現象。

        為什麼超蟲沒這問題?很簡單,因為超蟲平尾對RCS控制要求沒那麼高,依然採用大後掠平尾。


       b)大迎角條件下平尾容易失速,導致飛機喪失縱向操縱能力而陷入深失速。

       採用中小後掠角平尾而能夠進行大迎角飛行的不是沒有,雅克130就是,可用迎角達到42度。然而它那平尾加了個大鋸齒,以鋸齒渦為平尾上表面氣流提供能量,推遲失速。

       顯然,無論是超蟲還是雅克的方案,都不利於RCS控制,不適合海飛絲。所以,海飛絲只有兩條路,一是TVC,二是額外的操縱面。TVC從照片上看不到,但額外操縱面卻是現成的,就是那對V尾。

        6)垂尾

        從照片上看,海飛絲的垂尾和鶻鷹的差別如下:

       a)全動+方向舵設計。

       這種設計比較罕見。前面說過,預計海飛絲的高速性能不會很好,因此到不了要全動垂尾來維持方向穩定性的地步。那麼全動狀態是為什麼準備的?只有一個可能——縱向輔助操縱。

        一是,高速時參與縱向輔助配平,為平尾卸載,避免或推遲中小後掠平尾高速時氣流分離的問題。而在超音速時,舵面效率很低,垂尾只能以全動狀態進行操作。

        二是,大迎角參與縱向操縱,提供額外的低頭力矩。因為方向舵鉸鏈線後傾,適用迎角相對較小,採用全動平尾相當於鉸鏈線垂直,適用迎角更大一些。鶻鷹01或者F22那種鉸鏈線前傾的設計,其實就是為了大迎角準備的。

        b)面積縮小

        可以和20的垂尾對比一下。鶻鷹的甚至比20還要高大,海飛絲則小了很多。前面不止一次提到,海飛絲各項變動改善方向穩定性的設計,其最終目標就是為了減小垂尾面積。一方面可以減重,另一方面則是來自全動垂尾的需求——全動垂尾的分量不輕,驅動它需要相當功率的作動器。顯然,垂尾面積越小、重量越輕,對作動器功率的需求也越低。

        7)彈艙

        由於機身寬度增加,按照上面的對比,海飛絲甚至接近20的寬度,這不僅帶來了更大的機內容積,也為增加側彈艙提供了可能。

        個人看來,照片中的海飛絲模型,更像是強化隱身的超蟲:重視RCS控制,偏重低速飛行性能(續航性能也因此改善),但也因此帶來高速性能和大迎角飛行性能不佳的問題。假如這個模型最終問世,那麼在使用上很可能也接近當年的蟲子,作為多用途戰鬥機使用。但是,艦隊防空——蟲子從來就不是幹這個的料。所以,會不會還有一個類似當年大貓角色的隱身重戰沒有公開呢?

         

        

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