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我看中國飛豹戰鬥轟炸機
送交者: 小牛 2002年10月29日18:31:58 於 [軍事天地] 發送悄悄話

   飛豹,中國第一代自行研製的超音速重型戰鬥轟炸機。1988年范堡羅航展首次以B-7的名稱展出縮比模型,10年後珠海航展上正式公開並作飛行表演。自公開以來,對飛豹的評價褒貶不一。支持者號稱該機可以與F-15E、蘇-30一較高下;批評者以“肥豹”、“肥貓”稱之,名聲之差幾可直追殲-8II。  

    下面筆者試圖從技術角度與各位同好討論飛豹的設計以及未來改進方向。不當之處,請多指正。   

  飛豹採用常規設計,正常式布局。串列雙座,前後座有一定高度差,但後座視界明顯不良。機翼為上單翼,帶有明顯下反角,內側前緣有填角,外翼有鋸齒並帶有固定前緣扭轉。低置平尾,採用傳統的大後掠角斜定軸設計。大面積單垂尾,翼尖採用切尖設計,並加裝了腹鰭。兩側進氣,採用固定式進氣道。發動機採用兩台斯貝MK202渦扇發動機。操縱系統為首次在國產戰機上採用的電傳操縱系統。

  從設計上看,飛豹具有幾個明顯的特點,那麼這樣設計用意何在?透露了什麼樣的設計思想?

  1.固定式進氣道:優點是結構簡單,重量輕。但不能保證多種複雜狀態下與發動機的最佳匹配,適應性不佳;超音速性能也不好,會在進氣道內產生正激波,使阻力驟增。這就意味着該機並不重視超音速性能,或者說其主要作戰模式是亞音速狀態進行的。

  2.填角和蜂腰:填角設計曾讓筆者頗為疑惑。原以為可能是起邊條翼的作用,但填角後掠角仍屬中等範圍,前緣半徑又比較大,似乎難以迫使氣流及早分離形成渦流、以實現誘導出渦升力的效果。現在的看法是,或者是減小機翼與進氣道之間的干擾阻力,或者是出於跨音速面積律的考慮,或者二者兼而有之。蜂腰則無需多言,顯然是出於跨音速面積律的考慮。一句話,這兩項設計都是為了減小阻力而採用的。

  3.上單翼:與中單翼和下單翼布局相比,上單翼的翼身干擾阻力最小,翼下可用空間最大。飛豹採用這種設計,不外乎是出於這兩個考慮。同時不難看出,作為一種戰鬥轟炸機,飛豹已經考慮了翼下外掛重型武器的需要――相比之下,採用中單翼的J8B系列的翼下空間就要窘迫得多了。看過航展上J8IIM全外掛方案的人都不難想象如果給它掛上C801是個什麼樣子以及地勤人員的操作難度。

  4.機翼下反:機翼採用下反設計有助於減小橫向穩定性,提高滾轉速率。作為一種重型飛機,又要具有一定的自衛格鬥能力,較大的滾轉速率是必要的,可以迅速改變升力平面,從而更快地改變機頭指向,有利於近距格鬥。但下反的機翼下表面和垂直的機身/進氣道側壁構成銳角反射面,增大了飛機的RCS。

5.外翼前緣固定扭轉:前緣固定扭轉增大了機翼前緣彎度,有控制氣流分離的作用。這種設計結構簡單,但控制氣流完全分離的能力不如前緣襟/縫翼。因此在格鬥有一定作用,但作用有限。由於機翼彎度增加,亞音速升阻比也有所提高,有助於減小巡航油耗。而在超音速狀態下,機翼彎度增加卻會導致阻力大增,嚴重影響超音速性能。這再次證明超音速性能不是飛豹的設計重點。並且即使在亞音速範圍內,飛豹的設計也儘可能穩妥,偏重於可靠、簡單,但也為此付出性能下降的代價。

  6.翼刀和前緣鋸齒:兩種設計都是用於減少展向流、推遲翼尖失速的。翼刀多見於蘇式飛機(典型的如米格-17,竟有3對翼刀),鋸齒則多見於美式飛機(如F-4)。兩種設計同時出現在一架飛機上則很少見。給人的感覺似乎設計師對飛機的橫向控制能力並不放心,擔心一旦翼尖失速難以改出,所以加了雙重保險。但一如前面的幾種設計,翼刀和前緣鋸齒同樣具有簡單實用、但效率平平的特點,對飛機隱身也有不利影響。自第三代戰機以來,這種設計幾乎已經絕跡。現在一般多採用全自動襟/縫翼進行控制,最多再加上前緣凹槽(F-22在前緣襟翼一側所開的凹槽就是起這個作用的)。

  7.斜定軸低平尾:斜定軸大後掠平尾是自殲-6以來一直沿襲的設計。這種平尾失速迎角大,顫振特性較好,但升力特性不好,重量較大,在大偏角時操縱效率出現非線性。採用低平尾布置,同樣是為了避免大迎角時由於機翼對平尾的遮蔽導致飛機自動上仰。由此看來,飛豹比較重視大迎角的飛行品質和控制問題。但由於技術儲備有限,所採取的措施也相當傳統和保守。

  8.大面積切尖單垂尾和腹鰭:這樣的設計顯然是為了保證方向穩定性。但這樣一來就無法象雙垂尾飛機那樣採用前移垂尾的措施以避開機翼遮蔽、保證大迎角下仍具有部分航向操縱能力。事實上同類飛機在30度迎角時方向舵已經失效。至於切尖設計,估計是防止顫振的緣故。因1988年公開的模型並未見到類似設計,而飛豹首飛即遇到嚴重的顫振問題,連方向舵都震掉。不過,以今天的眼光,無論從保證方向穩定性、提高機動性還是減小RCS的角度看來,雙垂尾都比大面積單垂尾加腹鰭要好。但若以穩妥而言,倒也說得過去――我們至今都沒有研製出雙垂尾飛機,沒有相關經驗。

  9.發動機:採用斯貝發動機不足為奇,因為我們那時只有這種渦扇發動機可用,而且雖然是60年代技術,但相對於我們當時的水平也算先進了。不過,斯貝發動機工作要求比較苛刻,一級壓氣機可能還存在氣動彈性發散的隱患。從公開資料分析來看,導致飛豹一架原型機墜毀的原因就是斯貝發動機一級壓氣機葉片出現氣動彈性發散造成的。雖然裝用斯貝發動機的飛豹也獲得了不錯的飛行性能,但要適應21世紀初的作戰環境,斯貝則已經落後太多了。

10. 電傳飛控系統:在這樣一型處處可見傳統痕跡的飛機上居然裝備了三軸數字式全權限電傳飛控系統,這是最讓筆者驚訝的地方。感覺就象給卡丁車車手配備一輛F1賽車一樣。第一個問題就是:“有用麼?”用處還是有的,電傳飛控配合自動增穩系統可以減小低空紊流的影響,改善飛行品質,減輕飛行員的工作負荷。如果配合機上的地形跟隨雷達,飛豹的低空突防能力將比現役戰機有一個質的飛躍。不過,用處還不是那麼大。傳統設計並不能完全發揮電傳飛控系統的優勢。因此,飛豹這種做法除了改善性能外,必然還有試驗和為今後改進留下餘地的作用。

  由以上分析不難看出,飛豹是一種主要採用高亞音速低空突防的戰鬥轟炸機,其設計突出了兩個重點:高亞音速低空飛行性能和較高的機動性能。在保證這兩個重點的基礎上再儘可能減重、減阻。其基本設計思路是首先解決有無問題,再考慮性能提升。因此,在飛豹的設計中簡單與複雜並存,傳統與先進共用。

  研製之初,對飛機的要求並不複雜:大載彈量,遠航程,低空高速突防,採用C801K為主要攻擊武器,並具有一定的自衛格鬥能力。實際上就是海軍的“導彈攻擊機”的概念。從已公開的數據看,飛豹完全可以滿足這些要求,就這個意義而言,是一種成功的機型(至於是否“優秀”又另當別論了)。但是,這些要求針對80年代初的情況提出的,和21世紀初的作戰環境已經有了天壤之別,根據這些要求設計的飛豹已經難以滿足作戰需要,必須進行大量改進,否則將面臨很快過時淘汰的命運。

  這就需要回答兩個問題:誰需要飛豹?需要什麼樣的飛豹?

  誰需要飛豹:

  飛豹本來是空、海軍共同的發展項目,但因為不能滿足空軍的要求而成為海軍航空兵的專有項目。隨着蘇-30MKK的引進,空軍有了這種性能比飛豹高出一代的先進戰機,恐怕更不會“吃回頭草”。今後多用途的殲-10、FC-1(如果可能的話)陸續服役,使得空軍對強-5後繼機的需求不那麼迫切,甚至完全可以不再裝備強擊機,而以這些機種高低搭配擔負空中支援任務。剩下的就只有海軍航空兵。海軍軍費本來不多,還要分大部分用於建設艦艇部隊,海航能拿到的錢就很少了。因此在很長一段時間裏海航可能都只能裝備國產戰機。在經費和時間限制下,飛豹是海航唯一可以選擇的國產重型戰機。

  需要什麼樣的飛豹:

  筆者認為,海軍現在轉向“近海防禦”戰略,活動範圍其實都在岸基飛機的作戰半徑之內,因此在航母服役之前可以將防空問題交給空軍解決,而將岸基海軍航空兵的作戰重點對海和跨海攻擊上。也就是說,轉變海軍航空兵因為歷史原因形成的國土防空軍的防禦角色,使之成為一支專門高效的攻擊性空中力量。未來飛豹部隊的主要任務將是:對敵艦隊飽和導彈攻擊,跨海遠程奔襲島(陸)上目標。

要在現代條件下完成這些任務,必須具備兩點要素:隱身(准隱身),高速。

  誠然中國現在的水平還不能研製出F-117一級的隱身飛機,飛豹也沒辦法改成那樣一種飛機。但是,隱身技術的採用,減小飛機RCS,也減小了被對方雷達發現的距離。雷達發現距離和飛機RCS的3/4次方成正比,若RCS下降到原來的20%,則雷達發現距離將下降到原來的30%。換句話說,若飛豹原RCS為5平方米,E-2C發現距離300公里,改進後RCS為1平方米,則E-2C發現距離只有90公里!這個距離意味着什麼,想必大家都很清楚。

  至於高速,則是可以縮短對方發現後的可用反應時間或者根本來不及反應。逆火之所以令美軍感到威脅,就是因為它的超音速突防能力和遠程巡航導彈,使得美軍根本無法在其發射導彈之前實施攔截。我們現在的水平雖然不能實現超音速巡航,但實現“音速巡航”還是有可能的――這是採用了波音的“音速巡航客機”的概念,即飛機巡航速度達到M0.95-0.99,比一般的巡航速度有了相當大的提高,但付出的代價卻比超音速巡航要小很多。

  而飛豹原來所強調的自衛格鬥能力,現在看來,意義不大。雖說現在飛豹已經達到第二代戰機的機動性水平,但面對第三代戰機的攔截,能否全身而退依然是個大大的問號。

  筆者以為,在改進設計的時候,首先要考慮前述兩點,機動性則可以放在次要位置。

  據此,筆者提出兩種改進設想。

  設想之一:

  進氣系統,採用類似F-22的不規則四邊形進氣口,多波系可調進氣道。前者是出於隱身的目的,後者則出於保證高速性能的目的。雖然可調進氣道不利於隱身,但由於飛豹主要採用低空突防,其主要威脅來自於早期預警機的下視雷達,而從這個角度上電磁波也難以直射調節斜板和發動機正面,這種設計對於這個方向上的雷達而言,RCS幾乎是不會增加的。

  發動機改用AL-31F發動機,推力大,可靠性高,有助於提高性能,增大載彈量,特別是對於實現音速巡航非常必要――斯貝MK202加力推力9噸多,而AL-31F最大推力就有8噸多,完全可以保證音速巡航的要求。

  前機身修形,類似FC-1,主要目的是減少甚至避免雷達波繞射,縮小RCS,當然也有改善大迎角下進氣效率的作用。

  機翼在原來基礎上取消翼刀、鋸齒和外翼前緣固定扭轉,加裝全翼展自動襟翼,以減少RCS,提高飛機的飛行性能。

  機翼後緣延伸形成尾撐/後邊條,平尾上移至尾撐位置,由後邊條在大迎角下提供一定的低頭力矩,以部分解決大迎角下由於平尾上移可能造成的自動上仰難以恢復的問題。

  後機身修形,加裝機尾罩,與尾撐/後邊條以及垂尾、腹鰭融合過渡,避免原設計產生的角反射,減小RCS。同時機尾罩可以遮擋部分噴口的紅外輻射,並改變噴流形狀(由圓柱形變成扁平狀),使之更容易和周圍冷空氣混合,進一步減弱尾部紅外特徵。

  增設內部彈艙,保證至少裝載1-2枚中遠程反艦導彈,以實現半隱身突防的目的。由此造成的內部載油量下降的問題,可以由空中加油解決――保證生存力才是最重要的。

  這是一個比較保守也比較容易實現的方案,代價不大,但收益也不大。估計只能作為過渡型號,填補一下新的重型多用途戰機服役前的空白。

  設想之二:

  進氣系統、發動機、前機身、後機身及內部彈艙的改進基本同方案一,主要區別在於飛機氣動布局進行了大的修改――

  機翼由中等後掠翼改為採用亞、跨音速性能均較好的雙三角翼,取消前緣扭轉,加裝前緣襟翼,這樣可以進一步提高飛機的高速性能,同時由於機翼面積加大,內部載油量也可以大幅提高,從而解決由於增設內部彈艙造成的內部載油量下降的問題。      取消原來的平尾、垂尾和腹鰭,改為採用大幅外傾的V形全動尾翼,RCS可以大幅度下降,但飛機的操縱性能也會因此有所損失。

  這個方案比較大膽激進,改進代價也不小,由於氣動布局改變,工作量不比設計一架新機小(事實上就已經是一架新飛機了),但飛機的隱身性能和高速飛行性能也有大幅度提高,從而提高飛機的突防能力和戰場生存能力。

  無論如何,飛豹改進勢在必行。只是,希望這次改進能真正改出水平來,不再讓飛豹淪為“肥豹”和“肥貓”。   

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