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殲20是否適合新航母仍值得商榷 起降性能並不突出
送交者: 力挽狂瀾 2021年02月03日17:50:51 於 [軍事天地] 發送悄悄話

  自從新一代戰機殲-20和FC-31技術驗證機曝光以來,關於兩者誰更適合上艦的爭論就沒有平息過,在網曝003型航母正在飛速建造後,關於新一代艦載機的討論日趨白熱化,本文就將從艦載機最核心的一項能力——起降能力角度來談談殲-20是否適合作為艦載機登上新航母。

  首先,談能否上艦其實就是變相地談艦載機的核心要求——起降性能。因為航母作為一個移動的海上機場,甲板長度僅有三百多米,起降特別是降落難度比跑道長度動輒一兩千/兩三千米的陸地機場來格外困難,因此,戰鬥機要上艦,首先必須考量起降性能。

  而在003型航母使用電磁彈射裝置板上釘釘的情況下,實際上電磁彈射已經能夠很好解決艦載戰鬥機短距起飛的難題,這樣一來,重點就落在降落性能上。

  第一,殲-20作為重型機,着艦速度嚴格受限

  這就要從飛機着艦進近說起,着艦進近的艦載機基本以恆定的迎角(一般小於10度)和下滑道坡度(3至5度)徑直向攔阻索飛去,由於航母攔阻系統承受的能量總會有上限,在這個限制條件下,飛機必須將總的能量控制在較低水平。根據動能公式,動能和質量以及速度的平方成正比,這其實說明艦載機對於着艦速度更加敏感,但是着艦質量輕的飛機在着艦速度限制方面天然比重型飛機有優勢,重型飛機往往要做出一些激進的增升改進方能適配。比如F-14就利用可變後掠翼來提升飛機的低亞音速升阻比,同時採用了前後緣襟翼使得近似平直的機翼翼型剖面儘可能彎曲,獲得額外的升力;蘇-33則一改蘇-27系列的靠近翼根的一體化襟副翼設計,採用了兩段後緣襟翼(而且還是開縫襟翼)加外側副翼的措施增強低速狀態的升力和可操作性,為了配平襟翼全開帶來的低頭力矩,蘇-33在主翼前增加了一對兒小前翼輔助低速狀態的配平,幫助飛機抬頭,蘇-33還為此犧牲了不少航程和機動性能。

  看到這我們可以總結,艦載機必須有足夠的升力以最小化着艦速度,同時必須有良好的操縱性來應對可能的大風天氣和艦尾亂流。

 蘇-33標誌性的兩段式襟翼設計,是為了增強飛機的起降性能

  根據著名的升力公式,我們知道升力和飛行速度的平方、升力係數及機翼面積成正比。

  首先是速度。飛機的升力與速度的二次方成正比,所以只要允許着艦速度大一點,升力立刻就會提高,因此不能看着印度小展弦比的輕型機LCA光輝和中型機法國“陣風”成功着艦了,就想當然地以為重型殲-20也能輕鬆搞定,因為光輝可以提升着艦速度,而殲-20速度必須嚴格控制。同等的攔阻系統承受能力上限,重型機着艦反而要求着艦速度更低,這是一種相當矛盾的需求,既然速度高不起來,就必須從升力係數和翼面積上做文章。

  第二,鴨式布局在起降性能方面並無優勢

  其次,再來談升力係數,而且是艦載機常用的10度以下小迎角區間升力係數。可能一聽到這個命題,就會有人說,增大升力係數正好使用鴨翼,宋文驄院士發表的文章里比較過有鴨翼和無鴨翼的升力係數,鴨式布局任何迎角下都比無鴨翼強。但是事實不是這樣的想當然,宋老文章中的對比是在相同主翼形態下,不同迎角下鴨翼帶來的升力係數增益。大家注意,對比的前提是主翼的形態參數相同,如果不同,那就沒有可比性了,恰好鴨式布局和常規布局主翼的形態大不相同,鴨翼多配合三角翼,常規布局則多採用後掠翼、梯形翼和F-22那樣的蝶形翼。拿着宋老未放襟翼的無鴨翼升力係數數據,否定可以依靠放襟翼大幅度增升的常規布局,顯然是驢唇不對馬嘴。有數據顯示常規布局飛機放襟翼後,主翼升力係數可以提高60%-140%,這個收益還是要遠高於低速小迎角下鴨翼產生的渦升力,而且常規布局主翼大角度放襟翼,相當於在氣動上變相提高了主翼的迎角,但是機身迎角卻不變,這對艦載機是相當有益的。

 同樣是鴨式布局戰鬥機,作為中型艦載機的“陣風”M,其航母甲板起降難度與重型的殲-20不可同日而語

  其實目前公開數據可以看出,鴨式布局的陣風和JAS-39鷹獅在起飛距離方面並不比常規布局的第三代戰機短,甚至鷹獅還在三代機中幾乎墊了底。有人又會說,鴨式布局不是公認的短距起降性能好嗎?相信多半受到了薩博37“雷”的影響,該飛機為了突出短距起降能力創新性採用鴨式布局。在它誕生的年代(上世紀60年代末70年代初),戰機還處於靜穩定布局時代。靜穩定的常規布局戰機主翼的氣動中心在重心之後,尾翼提供負升力配平,這就造成升力損失,超音速配平阻力加大;靜穩定的鴨式布局鴨翼卻正好提供正升力配平,不但沒損失反而有助益,這樣鴨式布局在那個時代才有了所謂短距起降的優勢。而隨着放寬靜穩定技術在第三代戰機中的普及,戰機主翼的氣動中心可以和重心靠得很近甚至在重心之前,常規布局戰機的負升力配平問題得到了緩解,靜不穩定布局下,尾翼甚至也可以正升力配平,因此鴨式布局在起飛距離上自然就看不出什麼優勢了。

  第三,殲-20的氣動優化區間主要在超聲速方面

  既然鴨翼在短距起降能力上作用有限,有人就會說,殲-20還有邊條翼這個渦升力利器可以使用啊。沒錯,殲-20開創了氣動設計的先河,將鴨翼和邊條翼整合,可以將機頭渦、進氣道唇口渦、鴨翼渦、邊條渦和前緣襟翼渦整合成一個超強的增升渦系,這其中邊條實際上發揮了最大的作用,正是這個小邊條將本來到主翼上方減弱的鴨翼渦再度加強,形成有利耦合,達成了一加一大於二的效果。這是前無古人的創舉,但是大家還是忽略了條件,這個增升系統需要在中等亞音速(大致在0.3-0.65Ma左右 )大迎角條件下發才能揮最大作用,低速(0.25Ma以下)小迎角(小於10度)的效率依舊比不過大幅度改變翼型彎曲度的前後緣襟翼組合。

  最後是機翼的設計和面積方面。殲-20注重的是超音速性能,同時很好地兼顧亞跨音速段的機動能力,所以我們也看到殲-20的鴨翼距離主翼的距離超過陣風、殲-10和鷹獅,就是為了方便超音速段的配平,大幅度提升超音速狀態的操控性,降低超音速配平阻力。但是相比颱風的鴨翼位置,殲-20的鴨翼還是要靠後一些,一方面為了亞音速段的拉渦耦合增升,另一方面也因為鴨翼面積更大,需要靠後布置,讓鴨翼在機頭激波的內側來減小超音速波阻。從殲-20的主翼翼型來看,由於超音速巡航是其設計的目標,為了減小波阻,機翼很薄,同時也為了減小波阻和浸潤面積,翼面積和翼展同F-22和蘇-57比也並不大,由升力體船型機身貢獻額外的升力,這完全符合殲-20的設計取向。若放大機翼面積,確實可以減小迎角,降低着艦速度,但是增大了浸潤面積提升了摩擦阻力,進一步破壞面積率增大波阻,這都是與殲-20追求超音速性能的設計取向背道而馳。

  薩博-37“雷”作為靜穩定設計的戰鬥機,其經驗,不能在現代艦載機上照搬

  綜上所述,殲-20在着艦的超低速區域是缺乏高效率增升手段的。

  結語

  世界上不可能存在十全十美的事物,殲-20追求高速能力,低速狀態就必然會有所損失,採用鴨式布局,那麼常規布局的甜頭就可能嘗不到。當然,殲-20是否上艦,還必須綜合考慮其全動垂尾增益或者是否加裝增升襟翼(分段式襟翼)等措施。以上所說僅從當前氣動角度考慮,謹以此文拋磚引玉,希望能給大家提供一些有益的參考。


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