殲20高速高機動隱身的核心設計,這樣學到F22的精髓

和國內的一些觀點不同，F-22採用的融合化、多組渦流增升裝置複合的設計，是五代機兼顧高速飛行、高機動能力、隱身能力的核心技術，是人類飛行器設計史上的一次重要飛躍；這種思路被殲20所學習繼承，並成為其高機動性設計的核心源泉。

一：俄國氣動專家對F22的真實看法

筆者首先引用俄羅斯中央空氣流體動力研究院的科研結論。米格29與蘇27的氣動外形設計，均是在該流體院提出基本方案，並對米高揚、蘇霍伊設計局的直接指導和技術支援下完成的。在該院的《超聲速飛機空氣動力學和飛行力學》中，對超聲速時代的飛行器劃分了三代：

「今後，改進發動機的內部參數靠提高發動機推力和在M＞1的飛機升阻比，就可以在超聲速巡航飛行時不適用加力。第一批這樣的發動機用在製造遠程飛機，比如M-50，圖-144，協和號、T-4等已經研製出來。現在，對於新一代超音速殲擊機也採用類似的方法。在機動、加速、爬升、短距起飛情況下使用加力狀態。

因此，發展發動機和空氣動力學可以完成3次主要飛躍：

——轉入到超聲速M2~3；

——不用加力飛行狀態，以M=1.7~3.0作超聲速飛行；

——對於機動飛機不用發動機加力推力轉入到M=1.5~M1.8的超聲速巡航飛行狀態。」

圖：三代常規戰機靠邊條拉出渦流增加機翼升力，強化機動性。F22把三代機的獨立邊條，分三段融入前機身的側面稜邊、進氣道前沿、進氣道側面小邊條；以大幅度提升飛控設計難度為代價，實現隱身的同時，大大減小了重量、阻力，還極大的強化了機動性。

圖：F-22的渦流增升效果極為強悍，沒有任何一種三代機能與之相提並論

在這三次超聲速飛機的技術飛躍中，F16、蘇27等三代機的地位不言自明。俄流體院認為，F-22這樣具備完整超巡能力的高機動戰鬥機，相對於之前的所有超聲速飛機，都在發動機與氣動設計上，實現了1-2個飛躍性的技術突破。

而且F-22看似沒有明顯邊條的設計，正是其氣動設計技術相較於F-16和蘇27出現巨大突破的最大特徵，而且被殲20極大的學習和繼承。

二：F-22不僅有邊條和增升裝置，核心思路還被殲20完整參照和學習

飛機在天上飛，靠的是機翼等構件產生足夠的升力，增升就是要通過各種方式實現升力的增加。高性能戰鬥機上常用的增升裝置有兩種類型：

A：強化附著氣流能力的增升。比如各類機動襟翼/縫翼，它們的作用是通過調節機翼的彎曲程度，或者改變氣流的流經途徑，使得機翼能獲得更高的升力極限。

圖：簡單機翼模型的氣動力學展示，注意流線所顯示的氣流，它均勻的附著在機翼的上下表面。這種狀態下，機翼迎角越大，升力和阻力都越大。

圖：迎角超過一定限度後，流過機翼上表面的氣流就被完全撕碎成紊亂氣流了，此時機翼升力幾乎喪失殆盡

機翼獲得的升力和迎角相關，在極限來臨之前，氣流始終附著在機翼上；迎角越大，升力越大；直到突破某一個臨界角度，機翼上表面的氣流就會完全分離、被撕碎成紊亂氣流，這時候機翼的升力就會急劇喪失。

而這些機動襟翼和縫翼的用途，就是增大機翼的可用迎角極限，從而獲得更大的可用升力。

圖註：F22機翼的前後緣均有襟翼，襟翼是最古老、最正統的增升裝置設計之一。

圖：F-16的前緣機動襟翼與後緣襟副翼（該機採用襟翼、副翼一體化設計）工作原理，其它高機動飛機與之大同小異

B：利用脫體漩渦氣流進行增升。它是利用人為、主動的誘發特殊類型的氣流分離現象，實現機翼升力增加的設計；在實際型號上的應用，首先是從瑞典JA-37戰機開始的。

機翼升力的本質是上下表面之間的壓力差，在機翼的上表面形成高速旋轉的漩渦氣流，能夠顯著減小機翼上方的壓力；而且在漩渦的主導下，上表面氣流也更難以被撕碎成混亂的紊流，可以進一步擴大機翼的極限迎角。而這些製造出漩渦的構件，就是渦流增升裝置，也常被稱為渦流發生器。

圖：F-18E/F採用了典型的邊條渦流增升，邊條面積很大，阻力和重量也很大

圖：F22看似沒有獨立的大型邊條，但邊條設計被分為三段，前兩段整合在了機身與進氣道的外形中，其有效寬度和面積，遠遠超過F18三代機上的獨立構件邊條

渦流增升裝置的形式並不限定，可以是邊條也可以是鴨翼，還可以是機身的突出稜邊、進氣道的唇口。只要它具備較大的後掠角度、較為銳利的構型；隨著迎角的增大，氣流就會隨著它們的外沿被撕裂、並形成高速旋轉的漩渦。

漩渦增升與傳統附著氣流增升的聯合使用——比如「邊條+機動襟翼」、「鴨翼+機動襟翼」，是F-16開始所有的戰鬥機，其高機動性能的氣動外形設計核心所在。

F-22上不僅有邊條，而且其前機身稜邊、進氣道唇口上沿都是渦流增升裝置；它通過三組渦流發生器的耦合設計，用遠低於三代機的重量和阻力代價，實現了遠超三代機的渦流增升效果。

圖：殲20的渦流發生器組合：機首的側稜邊，進氣口上唇，鴨翼，邊條。

這些融合性的渦流增升裝置設計，以及多組渦流增升裝置之間相互耦合、放大增升效果的核心設計思路，均被殲20所成功的學習和繼承。

三：為什麼F-22隻剩很小的傳統邊條？

就筆者的印象中，除了筆者幾年前的專門文章外，很少有航空科普文章提及這一點：渦流增升的運用存在馬赫數相關的速度限制。在超聲速狀態下，由於激波的壓縮等因素作用，出現漩渦會變得細長無力等現象，導致增升效果基本消失殆盡。

這意味著過大的獨立渦流增升裝置，在超聲速飛行狀態下，很可能成為性能上的負面累贅。同時隨著隱身時代的來臨，戰鬥機的外形設計也要求氣動構件更為簡潔，並需要服從於電磁信號散射特徵的控制需求。

圖：超聲速下的激波會非常強烈的壓縮脫體漩渦氣流

這些要求對渦流增升裝置的影響有時候往往自相矛盾，比如不宜再保留類似F-18E/F的大面積尖拱式邊條——雖然單個構件的增升效果上它冠絕三代機，以減小阻力、重量、雷達反射面積；但有時候，也要保留小的邊條，利用它在前面形成低反射特徵，掩蓋住後面原本具備強反射特徵的機身結構。

F-22上的設計特徵——儘量取消獨立構件的渦流發生器，將渦流增升的功能融合到飛機上不可缺少的基本結構上去實現；但同時又在進氣道外側/機翼前方，保留了很小面積的獨立邊條，就是這兩種需求相互交織、權衡妥協的結果。

圖：F-22俯仰失控墜毀

F-22的新設計，建立在氣動和飛行控制技術的高度進步上；即使是單個構件的渦流增升，也具有非線性強、非常難以控制的特點，多組構件——比如3組，它們之間相互耦合帶來的控制難度，不嚴謹的說，那就不是簡單的加法式關係，而至少是乘法式關係、甚至是幾何級數增長式的關係。

圖：F-22以及其他的未最終實用化的美國五代機方案，都對殲20總體設計起到了極大的參考和指引作用，與機體高度融合的多組渦流發生器耦合設計，就是這些方案中最重要的共通特徵之一

雖然筆者本人向來極其厭惡文學化的描述，但F-22的渦流增升設計用「重劍無鋒、大巧不工」來形容是非常恰當的；不具備足夠的氣動力學知識，連理解F-22基本的設計思路和工程實現難度都做不到。殲20在相關的增升設計上，是學習F-22的產物，其核心思路高度相近。

四：最大升力的瓶頸不在於增升，而在於控制能力

在高機動飛機的最大升力設計中，最大的瓶頸從來都不在於利用邊條這些構件實現多強的增升效果；而在於在增升以後，還有沒有足夠的能力去控制住飛機，避免它出現嚴重的失控乃至於墜毀。

因為飛機的飛行過程，實際上也是從機頭到機尾、從左側翼尖到右側翼尖，多個方向上同時在進行的蹺蹺板遊戲。某一邊的力一旦超出另一邊的平衡能力極限——比如邊條/機翼產生的升力，超出了平尾的控制力極限；擱蹺蹺板上就是一邊猛烈的砸地上，擱飛機上就是立刻失控、被掀翻式的上仰。

圖：JAS-39俯仰失控墜毀，升力是好東西，但失去控制的升力就是招災惹禍的根源。俯仰失控，一直是現代高性能戰鬥機氣動、飛行控制設計中最具風險和難度的問題；裝備仿改蘇-27系列的客戶，對此感觸尤其深刻。

在高性能戰鬥機的布局競爭中，由於鴨翼相當於水平尾翼與邊條的結合體，而且位於機翼前方；理論上可以用更輕的重量和阻力，做到與常規布局相同的性能。

但是鴨翼這種俯仰操作面與渦流增升器合一的特性，也使得它在增升與控制，乃至於亞、超聲速性能的協調上難度要更高，因此最終的型號總體飛行性能水平，並不一定優於常規布局型號——非常典型的例子就是颱風戰鬥機。

圖：F22的矢量推力

從二代機到五代機，從JA37到殲20；最大升力、升阻比等氣動性能的比拼，從來都是取決於具體每一個機型的設計水平高低、應用技術水平高低，而非其基本的布局形式。比如最簡單的例子——矢量推力的應用，就是相當程度無關於鴨式布局還是常規布局，但又對飛機極限控制能力影響極大的設計。