揭秘歼-20隐形战机:“壳子”也是核心科技

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  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

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