揭秘歼-20隐形战机：“壳子”也是核心科技

　　出品 | 网易新闻

　　作者 | 张亦驰，军事科普作者

　　面对一些中国自行研制的飞机，我们有时会听到这样的声音——其实就壳子是中国造的。暂且不论国产飞机是不是“只有壳子是中国造”，实际上，飞机的“壳子”——即便不说材料和工艺，仅仅是气动外形或者说气动布局，就在很大程度上决定了飞机的性能。可以说，设计“壳子”是一架飞机最核心的技术之一，以第四代（国外标准为第五代）战斗机为例，80%以上的隐身性能由外形决定。

　　气动布局还决定着一型飞机的速度、机动性和航程等重要参数，而这些性能往往对飞机气动布局的要求是矛盾的。如何解决这些矛盾，在超声速巡航、亚声速机动性、隐身等方面获得令人满意的效果？歼-20战机的“壳子”，就给出了一个清晰的答案。

　　（一）为了实现超声速巡航，把减阻进行到底

　　第四代战斗机的一个重要性能指标是能够进行超声速巡航，也就是发动机在不开加力的情况下进行超声速飞行。以F-22A为例，它能以1.5倍声速的速度巡航飞行。

　　能够进行超声速巡航的战斗机与不能具备此项功能的战斗机打，就好比是冷兵器时代“骑兵打步兵”，超声速巡航的飞机会突然杀过来砍一刀，然后就走了，三代机追也追不上。

　　超声速巡航除了要求小函道比、大推重比的先进涡扇发动机以外，对降低战斗机超声速阻力也提出极高要求。而对于中国来说，由于发动机技术相对落后，这就对降低超声速阻力提出了更高的要求。

　　和主要由摩擦阻力决定的亚声速阻力不同，超声速阻力主要由激波阻力决定。降低激波阻力的传统方法包括增大机翼后掠角，减小展弦比，提高机体的长细比，也就是让飞机更“锋利”，更容易钻透像一堵墙一样挡在飞机前缘的激波。

　　歼-20也是这样做的。

　　从空气动力学的观点来看，大后掠（如60到70度）、小展弦比机翼的超声速气动效率最高，但这种机翼的亚声速效率低，影响飞机的亚声速巡航和起降性能。

　　对于新一代战斗机，其机翼设计需要中和多方面相互矛盾的需求，这决定了四代机的机翼后掠角基本保持在40度到50度之间。当年，F-22A的原型机YF-22就采用了48度的前缘后掠角，而最终定型时改为现在的42度。

　　从外形来判断，歼-20的机翼前缘后掠角在F-22、苏-57等四代机中是最小的，而且它还使用了后掠角超过70度的比较大的边条翼，进一步降低了等效后掠角。

　　（大迎角条件下，歼-20的鸭翼、边条形成的漩涡与机翼前缘涡相互耦合，有利于增大机翼升力，提高最大升力系数。张亦驰 摄）

　　除了增大后掠角，歼-20的机翼还使用了翼型前缘比较尖的相对厚度很小的机翼。

　　四代机中，可以进行超声速巡航的重型机，比如F-22、苏-57的机翼都未使用内埋式襟翼、副翼作动筒，其每侧机翼上都有两个突兀的经过纺锤形修形的作动筒（纺锤形修形是为了减小雷达散射截面积），这表明其采用了绝对厚度和相对厚度很小的机翼，没法内置作动筒。反观F-35则采用较厚的机翼和内埋式作动筒，歼-20的外置的作动筒也表明其机翼的厚度较低。

　　在机身设计上，减小超声速巡航阻力就要减小机身最大截面，增大机身长细比。鉴于国产导弹体积相对较大，歼-20内埋弹舱不可能减小太多，为此歼-20的机身长细比明显偏大，也是为了降低超声速阻力。这一点上看，苏-57的两个主弹舱串联在一起，减小了横截面积，在降低阻力方面是成功的。

　　（歼-20的机身长细比较大，有利于降低超声速阻力。张亦驰 摄）

　　从减阻方面看，歼-20两个小型全动垂尾有其成功之处。较小的垂尾阻力较小，而且垂尾外倾也会减小两垂尾间的不利干扰，发动机采用了阻力较小的小间距布局，利于超声速状态下的减阻。

　　采用综合措施后，歼-20的超声速阻力系数可能是四代机中最低的，这为超声速巡航奠定了坚实的基础。

　　（二）为了超声速、亚声速性能平衡，独创升力体边条鸭式布局

　　单纯追求低的超声速阻力并非难事，中国的歼-8、俄罗斯的米格-21的超声速阻力都很低，但关键是均衡超声速和亚声速的性能。

　　四代机要求亚声速的高机动性，要求大迎角飞行能力，并具备瞬时快速改变机头指向的能力，这完全是由飞机的外形决定的。

　　飞机的大部分升力是由机翼产生的（一部分由机身产生），要提高机动性，一方面要提高单位面积的机翼产生升力的能力，另一方面也要降低单位面积机翼的负担，前者称之为升力系数，后者称之为翼载荷。

　　如果把飞机比作一个运动员，最大升力系数就好比是它单位重量的肌肉能够产生的力量，高水平的运动员，相同重量的肌肉产生的劲大。翼载荷我们可以理解为体脂率，体脂率越低，人就越灵活，同理，飞机的翼载荷越小，机动性就越强。美国F-22提高机动性的一个主要办法就是降低翼载荷，另外加了矢量推力系统。

　　歼-20为了降低阻力，使用了后掠角比较大的机翼，而且机翼的外露面积比较小，这样其翼载荷就相对较大了。对于缺乏大推重比发动机，翼载荷很难降低的歼-20而言，要克服这一不利因素，提高亚声速机动性，就必须采取提高升力系数的办法。

　　（歼-20把边条、升力体、鸭式布局和隐身特性融为一体，是中国智慧和中国创造的体现 张亦驰 摄）

　　按照顾诵芬院士在公开文献中的说法，中国的四代机最大升力系数应该达到2.0左右。这是一个什么概念？三代机中较高的机型，最大升力系数不到1.7，歼-20采用杨伟院士所说的中国独创的升力体边条鸭式布局，满足了对最大升力系数的要求。

　　歼-20为提高超声速机动性和配平阻力，使用了中远距鸭翼，相对于近距耦合鸭翼来说，升力增量相对较小，为此又为其增加了边条翼。

　　歼-20的边条，也是经历了不断的改进。边条的作用，一方面在于其前缘涡本身的涡升力，另一方面，它与机翼的有利干扰、推迟机翼分离的发生和发展也起着重要作用。

　　从升力特性上看，尖拱形边条要比三角形边条更好一些。为了最大限度提升最大升力系数，歼-20验证机上的边条是尖拱形边条，在达到最大升力系数后，其升力变化比较平坦，另外其面积可能更大，升力增量略大，但是雷达散射特征较大，且均匀散射。在后来的量产型歼-20上，边条改为升力特性稍差的三角形边条（直线型），这也说明其升力已经足够满足要求，也有利于隐身。

　　（歼-20早期的验证机使用了尖拱形边条，升力特性较好，但是对隐身不利。图片来源于网络）

　　实际上，边条和鸭翼都依靠脱体涡对机翼的有利干扰提升机翼升力，脱体涡好比是一个个小旋风，增加了机翼上表面的气流速度，提高了上下表面的压力差，进而提高了机翼的升力，同等面积的边条增升效果要好于鸭翼，因为它产生的脱体涡更强、更稳定，但鸭翼的可控性较好。

　　歼-20同时采用了鸭翼和边条，进一步增大了升力增量，加之升力体的采用（机身纵轴剖面为翼型，可产生较大升力，最典型的应用就是苏-27和苏-57的“中央翼”），使得歼-20战机获得了很好的升力特性，升力体边条鸭式布局最大升力系数可达到常规翼身融合体的1.8倍，这一点，无疑是中国设计师的智慧所在。

　　可以认为，歼-20很可能是目前四代机中最大升力系数最大，超声速巡航阻力最小的机型。

　　（三）看似矛盾的要求如何融于一身？歼-20 独具匠心的隐身设计

　　四代机设计的难度在于把降低超声速阻力，提高亚声速机动性和隐身几个相互矛盾的要求结合在一起，设计师需要不断在这其中进行折中妥协。歼-20在超声速减阻，提高亚声速机动性方面做的都很好，那歼-20的隐身设计如何呢？

　　关于隐身，一个普遍的看法是，外形对飞机隐身的贡献率占到了80%左右。洛克希德·马丁公司的F-22项目特殊技术部经理、F-22低可观测性综合产品团队负责人Brett Haisty曾说过，在设计过程中要考虑的第一个、也是最关键的因素是飞机的外形。这一因素必须从一开始就被考虑到飞机设计上，如果外形错误，无论使用多少材料处理也不能修正这一错误。

　　隐身飞机的外形设计原则是尽量不让雷达波原路返回，而是反射到相对集中的少数几个方向，这导致在雷达散射截面积（RCS）分布上出现一些相对较大、但很窄的尖峰，由于这些尖峰很窄、很少，难以被雷达稳定地追踪，而这些尖峰之间的信号是非常小的，又很难被雷达所检测到。

　　在这方面，歼-20的设计也是独具匠心。设计师尽量让歼-20的所有边缘相平行，而且有自己的特点。其一侧鸭翼的前缘和另一侧机翼的后缘平行（美俄的设计通常是保持机翼前缘与前缘平行，后缘与后缘平行），以便让它们的最大雷达信号都指向相同的几个方向。同样，飞机的垂直尾翼和机身侧面倾斜，且相互平行，以避免直接反射回雷达。此外，设计人员还对歼-20鸭翼、机翼和垂尾进行了微小的切尖处理，降低特定角度的雷达反射波。

　　（歼-20各个翼面的前后缘保持平行，有利于隐身。张亦驰 摄）

　　此外，歼-20的边缘之间的所有表面都是平滑顺畅的，确保电流在表面上流动而不会中断。表面上的任何中断（缝隙）都会将能量反射回雷达，从而增大了飞机的信号特征，光滑表面上的所有不得已的中断，如控制面或舱门，都确保了与机翼边缘相平行。为了提高隐身性能，歼-20放弃了原型机上使用的增升效果更好的尖拱形边条，而使用了三角形边条，也是这个道理。

　　（生产型的歼-20的边条改为三角形边条。张亦驰 摄）

　　飞机上最大的雷达信号反射源之一是驾驶舱，飞行员的头部和头盔、座椅以及驾驶舱内的所有控制和显示设备都增大了飞机的雷达信号。歼-20座舱盖上的金属涂层可防止雷达波进入驾驶舱，消除了对驾驶舱的担忧，座舱可以平滑地融入到飞机的外形中，以最大限度地减少任何雷达波的反射。

　　传统战斗机的进气口和发动机通常是其雷达信号的主要贡献者之一，发动机是主要信号源，其次是进气口边缘，以及用于调节气流的可变几何形状的控制面。对于发动机来说，其高速旋转的风扇叶片对雷达波形成镜面效应，而歼-20设计通过将发动机隐藏在S形进气道后面来降低发动机雷达反射信号。

　　飞机的发动机还是飞机后向的主要雷达信号贡献者。歼-20通过采用锯齿处理的方式，降低发动机与机体结合部后向的雷达散射。不过，尚不清楚其发动机涡轮后部是否采用了类似F135发动机那样的屏蔽器。

　　总体来看，歼-20的隐身性能虽然不及采用常规布局的F-22，但是仍然超过了俄罗斯的苏-57。

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　　编辑| 史文慧