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4S中的3S

2018-11-21 19:40:02 《兵器》 2018年11期

大水

FC31“鹘鹰”战斗机是最近国内武器装备相关讨论的热点。从中央电视台到各家新闻媒体、各大军事网站,“鹘鹰”都是网红。笔者根据自己对航空技术的了解和认识,对“鹘鹰”的各方面性能做一个分析。

五代机的4S

2011年,歼20战机首飞。很多人都对资金、技术、设备、人员等综合实力雄厚的沈阳飞机设计所同样给予了很大期待,希望南北两个飞机设计所能在隐身战机方面有所成就,共同推动中国航空技术进步。

“鹘鹰”的出世满足了军迷们的这个梦想,但是“鹘鹰”作为后来者的性能到底如何,却产生了一些争议。

五代机有比较成熟的标准,就是4S,包括:隐身(Stealth),超音速巡航(Super Sonic Cruise),超机动(Super Maneuverability),超信息优势(Superior Avionics for Battle Awareness and Effectiveness)。目前关于“鹘鹰”的信息系统尚且没有足够的信息披露,因此我们只能根据公开发布的信息、外形和飞行表演中的实际表现来讨论一下前面3个S。

3S之一:隐身

隐身飞机设计原理有关教材上清楚地说明,飞机的隐身90%依靠外形,只有10%依靠涂料。外形隐身的要点就是飞机的外表线条轮廓尽量相互对齐,而且尽量集中在尽量少的方向上,使得飞机反射的雷达波都尽量向无害方向而走。

但是第一眼看去,“鹘鹰”的机翼平尾进气道垂尾前后缘基本是相互平行的。机身侧面和垂尾也几乎在同一倾斜平面内,而且和机头侧面平行。从这个总体的印象来说,“鹘鹰”初步具备了隐身飞机的外形。

◎机头

“鹘鹰”机头和F35类似,都是两侧倾斜、下颌尖的角锥形状机头,机头雷达罩和机头有一个15度左右的倾斜,外表明显有防雷击条带。这是典型的隐身设计,尺寸和F35类似。

◎进气道

从珠海航展来看,“鹘鹰”进气道入口和发动机尾喷口基本在同一直线,有人就怀疑这两者是直通的。但这是不可能的。因为只要设置一个大S造型的进气道就可以解决问题。从进气道开始,气道向上弯曲、向内弯曲、再弯曲到发动机入口就可以解决问题。

大S造型需要复合材料铺层,而中航工业的复合材料中心就设在沈飞,完全可以解决。

◎机身

“鹘鹰”的机身基本采用了F22的扁六边形路线。不过“鹘鹰”的定位与歼20不同,采用了推力比较小的RD93发动机,所以刻意限制了飞机的的尺度。机身上宽下窄,有一个30度左右的倾斜,和垂尾角度一致。

由于发动机推力比较弱、推重比比较低,“鹘鹰”的设计师尽量在机身设计上采取措施补救飞行性能。机身上表面设置油箱,内油在6-7吨之间,保证足够的作战半径。机身的中部是进气道,中机身下部就是弹舱。为了保证面积律的实现,后机身就开始缩减截面,尽量减阻。在这样的制约下实现隐身设计,难度是相当大的。

由于外挂武器会大大增加反射效应,使得隐身设计完全失效,所以隐身飞机的武器挂载都尽量内置。

“鹘鹰”机身锯齿设计是亮点。从各种高清大图来看,“鹘鹰”大部分口盖和对接框架蒙皮都采用了锯齿外形设计,是隐身战斗机的标准设计。

从后机身的设计来说,隐身设计不如歼20。歼20的后体有腹鳍做遮挡,红外探测器从侧面完全探测不到发动机尾喷口。不过考虑到“鹘鹰”的定位,即使有问题也不是太大问题。

3S之二:超音速巡航

从“鹘鹰”目前的气动布局和发动机选型看,是不具备超音速巡航能力的。不过同为五代机的F35最大飞行速度只有马赫数1.6,“鹘鹰”宣传的最大速度马赫数1.8,看来超音速巡航也未必是五代机的硬指标。

◎机翼

“鹘鹰”机翼采用了40度左右的中等后掠角切尖三角翼设计,比较利于亚音速巡航,可以看出飞机设计比较突出远程作战,追求作战半径较大。翼后缘采用了类似F22的10多度前掠,在跨音速时候阻力较小。

机翼设有增升装置,前缘有通长的前缘襟翼,机翼后缘有类似F35A和苏27类似的襟副翼。这种襟副翼设计在F16战斗机上应用最成功,它避免了机翼外侧刚度的不足,又优化了飞行器高速飞行时副翼面出现的操纵反效问题。

从机翼面积来看,和F35A战斗机类似,“鹘鹰”第一架样机并没有切尖。第二架样机的机翼、平尾、垂尾都进行了切尖处理。某些技术论文认为,这样的设计对隐身方面有好处。

◎尾翼

“鹘鹰”平尾和垂尾原始设计比较像F22,尤其垂尾采用了一种战斗机很少见的梯形。但F22的垂尾位置很靠前,着重在大迎角时候发挥作用。而F104和米格21等二代机的垂尾比较靠后,着重改善马赫数2时的效率。

“鹘鹰”第一架样机的垂尾位置在这二者之间,估计有兼顾高速和大迎角的目的。但是第二架样机的垂尾设计发生了很大改变,垂尾外形更类似于F35,前后缘都后掠外加切尖。从这个角度来说,“鹘鹰”设计放弃了高机动。

◎进气道

“鹘鹰”进气道和F35相同,采用超音速无附面层隔道(DSI)进气道。这也是中国第4款采用DSI进气道设计的飞机。前3款分别是“枭龙”FC-1战斗机、歼10B/C、歼20。这种进气道有很多的好处。它重量轻、无可动部件,隐身性能好,而且对于偏离临界状态的来流要求比较宽松,大大提高了发动机进气道的进气质量,使得发动机喘振概率大大减小。

这种进气道的难点在于设计阶段需要强大的流场计算模拟能力,而且在设计之初就要选择好最佳的速度范围。不过经过中国航空科研人员多年的攻关,DSI设计和分析手段已经成熟,可以自由发挥。

DSI进气道也有弱点。首先是不能容忍负角度的迎角,在正迎角工作范围最大可以到50-60度。但负5度左右的姿态就会使得进气道排除附面层功能失效,导致发动机喘振甚至停车。不过这个弱点可以通过飞控系统来克服,不飞负角度就是了。

DSI进气道最大的弱点在于,飞行速度超过马赫数1.2后,总压恢复系数比传统的外压斜板明显差,而且速度越大差距越大。从这个角度来说,强调超音速飞行的飞机不是特别适合采用DSI进气道。

实际上F35也完全放弃了超音速巡航能力,依靠隐身和信息优势作战。F35打算很远就发现敌机,远远地射一发导弹,绝不和敌人纠缠。

3S之三:超机动

虽然超音速巡航是五代机的标杆,但“鹘鹰”用现有的发动机很难实现这一点。

“鹘鹰”在珠海航展表演时被军迷们戏称为“烟鬼战斗机”。原因是起飞时喷出大量黑烟,这是发动机燃烧不充分的标志。但是“枭龙”战斗机采用同样的RD93发动机,却少有喷黑烟的问题。经过查询资料发现,“鹘鹰”样机为了控制成本,实际上配用了比较早期的RD33发动机。

从珠海航展的表现来看,“鹘鹰”爬升滚转、加速都比较慢,而且糟糕的是,一个普通角度的盘旋都会导致明显掉高度。特别是2014年珠海航展时,按照飞行表演惯例,飞机内油就是1吨多不超过2吨。结果在发动机全开加力的情况下,爬升慢,加速慢这就带来了巨大的疑问。

这样的情况似乎没有改观,最近网络上出现了“鹘鹰”双机飞行的视频。其中第二架做了一个中等坡度的盘旋就明显掉坡度,而且发动机也喷出了黑烟。这说明飞机阻力太大,发动机推力完全不够用。

“鹘鹰”目前还在早期的样机阶段,假如加上全套航电设备,包括机头雷达、襟翼雷达、颌部光电塔、机身光电告警设备、火控设备等,估计飞机空重要增加1吨左右。按照航空科研和战斗机研发的一般规律,起飞重量会越来越大。飞行性能不足的问题会越来越突出。

武器携带能力

除了上面所说的3个S。通过公开数據,我们还可以对“鹘鹰”的武器携带能力做一些分析。

“鹘鹰”由于发动机推力比歼20少了几乎三分之一,无力同时承载歼20那种大型机腹弹仓和两侧红外格斗导弹弹仓。因此“鹘鹰”追随F35的路线,取消了机身侧面格斗弹仓。

目测“鹘鹰”主弹舱尺寸和歼20战斗机一样,长度4.5-4.7米,宽度2米左右,深度估计可以挂载500千克炸弹一类,兼容国产霹雳15导弹。

为什么一种中型战斗机要采用这么大尺寸的弹仓?理由很简单,按照国家标准,歼20弹舱是与霹雳15导弹配套的。假如“鹘鹰”采用小尺寸弹舱,就无法容纳霹雳15。除非为之研制一种更小的先进空空导弹,否则“鹘鹰”将面临无弹可用的情况。而为了“鹘鹰”重新设计武器,工程量就超过了沈飞的协调能力。

“鹘鹰”采用和米格29相同的双发布局。但实际上,加装了弹舱之后,“鹘鹰”横截面就比米格29大了约30%~40%,很难避免阻力飙升、飞行性能恶化。但是为了利于武器挂载,这样的选择也是不得已为之。

按照珠海航展展出的宣传资料,“鹘鹰”在机翼下左右一共有6个挂点,可以挂载反舰导弹、激光炸弹和格斗导弹,在不需要隐身能力时可以采用外挂。

还需继续提高

到目前为止,“鹘鹰”至少证明了自己是一架能飞的战斗机。但要想成为一架能打仗的五代机,还有很大的提升空间。

“鹘鹰”导弹内油和F35类似,但双发设计比单发设计的阻力明显更大。为了实现相同的航程,就必须大幅度增加内油。这将是“鹘鹰”后期设计所面临的严峻挑战。

最大的问题还在于发动机。F35A空重13吨,最大推力190千牛。而“鹘鹰”装备全部作战系统后,空重估计要比F35高1-2吨甚至更多。仅仅是两台发动机RD33重量就要比F35所用的F135发动机差不多重1吨了,最大推力却只有166千牛。未来即使采用两台涡扇19发动机,总推力也只有200千牛,推重比还是远远落后于美国F135。如果这个问题不解决,“鹘鹰”只能算作一种亚音速攻击机。如果装备与F35相当的航电设备,价格还未必低于F35,对市场竞争力有伤害。

以美国设计经验来看,双发飞机要达到F35指标,发动机总推力要比F35大3成左右。现在F35发动机推力升级到了200千牛,那么“鹘鹰”的双发总推力就要达到260千牛。从目前国内供应能力来看,或许只有“太行”是现成可选的型号。