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殲20雖服役卻無法超音速巡航 還是發動機惹的禍
送交者: 力挽狂瀾 2018年04月09日20:32:49 於 [軍事天地] 發送悄悄話

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  目前,殲-20已經加入解放軍的戰鬥序列。關於殲-20的性能,長期以來也都是人們關注的焦點。

  超音速巡航作為五代機的標誌性技術之一,而當前殲-20所使用的發動機又不怎麼給力,因此殲-20能否超音速巡航一直是一個爭議點。在去年的建軍90周年閱兵上,受閱的殲-20梯隊長機飛行員張昊在受訪時說到,“我們這個殲-20戰機機動能力特別好,這個飛機我們當時就形容,就叫”靜如處子,動如脫兔”。就是在亞音速下也不錯,一進了超音速就是它的天下了,就機動能力特別強。整個操縱性較以往的三代機有非常大的一個明顯提升。”

  張昊的這句話被很多人理解為殲-20具備超音速巡航能力的官方證詞。但事實真是如此嗎?我們還是得回到戰機設計的基本邏輯來分析。今天,貞觀防務特約撰稿人Flak就來說說這事。

  其實,飛行員的話中已經很明確是 “超音速機動”,而不是網友腦補的 “超音速巡航”。原話一開始就破題說: “殲-20戰機機動能力特別好”,接下來兩句: “亞音速下也不錯”與 “超音速就是它的天下”都是說明機動能力到底好在哪裡。後面還補充 “就機動能力特別強。整個操縱性較以往的三代機有非常大的一個明顯提升。”,更明確指出亞音速與超音速下的機動性與操縱性,而不是航程、滯空時間之類的 “巡航性”指標。網友會誤解的原因是不了解 “超音速機動”與 “超音速巡航”其實是兩碼子事。那究竟有什麼不一樣呢?

  首先,不論 “超音速機動”還是 “超音速巡航”都需要克服激波阻力,由於激波阻力是如此之大,人類在二次大戰後才得以駕機穿過,而有了 “音障”一詞。對機翼而言,克服激波阻力最主要的方法是後掠角要大且展弦比要小,不過這兩點卻會降低亞音速的升阻比,使其與亞音速的機動性與巡航性能相衝突。英國有論文中將機翼後掠角分成4大類:

       後掠角<35度:亞音速飛機

       35度<後掠角<50度:跨音速需求為主,兼具有限的超音速性能

       50度<後掠角<60度:超音速需求為主,兼具優秀的跨音速性能

       後掠角>60度:超音速飛機

  成飛原總師、殲-10總師宋文驄在2001年發表的論文中提到, “一種小展弦比高升力飛機的氣動布局研究”就提到小展弦比但是中後掠角的主翼,搭配前翼與邊條翼能對超音速阻力、低速最大升力與亞/跨音速升阻特性的矛盾取得統一。因此,殲-20選擇了49度後掠,展弦比2.3的主翼,也就是屬於跨音速為主的第2類,但逼近第3類;歐洲的“颱風”則有53度後掠,展弦比2.205的主翼,也就是超音速為主的第3類,但離第2類沒有太遠。雖然隔了 “50度”這個門坎,但相差沒有很大,都是兼顧超音速與跨音速性能,但傾向前者的選擇。這其實與飛行員所說的 “亞音速下也不錯”與 “超音速就是它的天下”是相呼應的。

  前翼與激波阻力無關,但對於降低超音速的配平阻力還是有幫助的。這是因為機翼在超音速的流場分布與亞音速不同,使升力中心會由25%翼弦後移到50%。對於靜穩定的飛機(升力中心在重心後方)這會增加低頭力矩,則飛機需要襟翼產生抬頭力矩才能維持平飛,襟翼上打產生的阻力就是 “配平阻力”。前翼在超音速一樣有升力後移現象,但即便後移到50%翼弦,其升力中心還是在主翼與重心的前方而產生抬頭力矩,因此抵銷掉部分低頭力矩,也就減輕了配平所產生的阻力。

  然而,前翼位於迎風位置,其單位面積產生的阻力會比尾翼來得大,因此 “颱風”將前翼往前移到座艙前方,使其以最小的面積產生相同的抬頭力矩;但殲-20的前翼仍在座艙後方,就需要較大的面積並產生較大的阻力。另外,降低配平阻力其實對高G機動狀態有較大影響,因為機翼產生的升力越大,配平面角度也加大,配平阻力就會增加。 “颱風”藉由前翼的抬頭力矩將升力中心前移,可使超音速的持續轉彎率提高6%,也就提高了超音速機動性。

  “超音速機動”與 “超音速巡航”的差別在於前者是在超音速進行高G轉彎,後者則是在超音速長時間飛行。對於戰機而言,不論是亞音速或超音速要進行高G持續機動,都需要開啟加力來克服大幅增加的機動阻力。因此,小展弦比、中後掠角與前翼只要讓殲-20可以在超音速持續轉彎,就算達到了 “超音速機動”要求。但由於加力的單位耗油率會增加1倍以上,因此戰機必須在超音速以軍用推力,也就是不開加力的最大推力維持平飛,才可稱為 “超音速巡航”。而由於超音速的阻力係數可比亞音速多出100%以上,戰機在維持亞/跨音速性能的前提下,對機翼與機身小幅修改所降低的阻力不過15~30%,剩下的阻力就必須靠軍用推力的提高來克服。

  戰機發動機的超音速推力與涵道比(BPR)有關,在開啟加力狀態下,大涵道比由於氣流量較大,再次燃燒可榨出較多推力,這就是為什麼西方所謂的第四代戰機喜歡用中/大涵道比的渦扇發動機,以在亞音速降低耗油,在超音速用加力達到衝刺與機動需求;但在不開加力的條件下,大涵道比發動機由於旁通氣流的壓力差較小,其軍用推力會比小涵道比發動機少掉45%以上,也就使前者難以支撐戰機的超音速巡航。另外,普惠公司在進行F-22發動機的前期研究時,還發現小涵道比發動機在超音速有以下優點:

  因此,普惠後來為F-22開發的F119發動機採用了0.25的小涵道比。後來雖然戰機在設計過程增重的關係,將涵道比略微提高到0.3,但仍屬於小涵道比,使F-22在原型機階段就達到1.4馬赫超巡。歐洲 “颱風”採用0.4涵道比的EJ200發動機,可以1.2馬赫進行15-20分鐘的巡航。而殲-20不論採用涵道比0.78的太行發動機,或是涵道比0.59的AL-31發動機都會有涵道比偏高的問題,即便透過部分改良來提高加力狀態的最大推力,仍解決不了超音速軍用推力不足的問題。

  據報道,殲-20計劃啟動時,中國同步發展了小涵道比的渦扇-15作為其發動機,其性能指針就跟西方的 “超巡發動機”不會差太多。再搭配小展弦比、中後掠角與前翼所提升的超音速機動性,就能成為超音速長時間巡航並戰鬥的先進戰機。但渦扇-15進度延遲,目前就只能在超音速進行機動,而不是進行巡航了。

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