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晨枫:法国人这个“五代机”模型 认真吗?
送交者:  2018年11月01日17:18:51 于 [世界游戏论坛] 发送悄悄话


2018-11-01 08:45:52字号:A- A A+来源:观察者网
关键字:战斗机法国第五代战斗机德国

【文/ 观察者网专栏作者 晨枫】

在F-22、F-35、苏-57、歼-20、FC-31相继问世后,世界曾对欧洲是否会在两风之后跳过隐身的第四代(中国定义,下同)战斗机而直接进入第五代,甚至欧洲有人战斗机的研发是否会就此戛然而止,始终充满疑问。在7月的英国范堡罗航展上,英国宇航展出了“暴风”战斗机的大尺寸模型,这是欧洲第一个“成型”的第五代战斗机研制方案。但“暴风”在气动和战斗机“硬技术”方面揭示不多,重点在信息化,尤其是那个虚拟座舱。

在10月22日在巴黎举行的欧洲海军展上,达索展出了NGF(全称Next Generation Fighter)战斗机的缩比模型,这是达索领导、德国参加的欧洲第五代战斗机。这个计划原来使用FCAS(全称为Future Combat Air System)的称呼,但容易与法国已经放弃的与英国合作的下一代战斗机研发计划相混淆。不过现在FCAS的称呼依然保留,改而泛指下一代空战系统,包括战斗机、无人机、加油机等。

第四代战斗机的特征为F-22集于一身的隐身、超巡和超机动(也有还算上超级态势感知的),F-35、苏-57、歼-20、FC-31在不同程度上达到其中的部分或者全部。“暴风”和NGF是不是算第五代,比F-22所开创的第四代到底先进在哪里,现在存在争论,但这不妨碍对NGF的技术特点进行分析。

我,达索,是不会用DSI进气道的,这辈子也不可能的……

贵飞:我替你说,真香……

空客防务在早先公布过第五代战斗机的想象图,NGF与空客的想象图很相像,但取消了垂尾。也就是说,NGF不仅像“幻影”系列无尾三角翼战斗机一样没有平尾,连垂尾也取消了。如果最终设计保留这一特征,这将是第一种无尾战斗机。B-2是第一种实战化的无尾布局飞机,达索“神经元”也是无尾飞翼,但B-2是轰炸机,“神经元”是无人机,都对机动性没有多少要求。NGF作为机动性要求很高的战斗机也取消垂尾,无疑是一个突破。

NGF放弃了“阵风”的鸭翼,回到大三角翼,不过机翼前缘可看作硬朗的S形,内段后掠较小,中段后掠加大,外段后掠再次减小。后缘带前掠,但是直线的,没有弯折。这个硬S大三角翼最先在印度的“光辉”战斗机上出现。

NGF采用双发动机,进气口为两侧的加莱特进气口,与机体之间有传统的边界层分离隔道。前机体下部对进气气流有预压缩作用。发动机之间为宽间距,与F-14、苏-27、苏-57相似。进气道向上呈S形,在机背形成明显的隆起。圆浑的进气道过渡到发动机舱后,成为更加硬朗的矩形截面,尾喷口为二维推力转向。但与F-22的上下摆动不同,NGF是左右摆动的。

NGF继承了达索的传统,融合了“幻影”、“阵风”、“光辉”、“神经元”、F-22的技术特征,但依然保持鲜明独特的特色。

继承LCA先进的机翼设计

印度斯坦:哎妈呀,难以置信啊,我的LCA也是五代机啊!至少有五代机的机翼……人生真是太刺激

无尾三角翼的优点和缺点一样突出,达索对此很熟悉了。无尾三角翼的“幻影III”大获成功,但并非没有遗憾。“阵风”采用全动近耦合鸭翼,克服无尾三角翼起落速度高和持续机动性不足的缺点,成为三代半战斗机中的佼佼者之一,但近耦合鸭翼对隐身和超巡不利。


在承接印度“光辉”战斗机的气动设计时,达索将传统的直前缘大三角翼改成硬S前缘的大三角翼,这是瑞典萨伯SA-35“龙”式战斗机开始的双三角翼的进一步发展。

双三角翼的内段为大后掠,在高速飞行时减小阻力,在大迎角机动时起到一点边条涡升力的作用;外段后掠角减小,改善中空中速机动性和起落性。从双三角翼改为硬S三角翼后,后掠较小的内段相当于强化的大边条,在大迎角的时候强化涡升力作用,或者说起到近似固定鸭翼的作用,改善机动性。

NGF采用了与“光辉”有明显血缘的硬S大三角翼,不过是截梢的。但说达索发明了硬S三角翼也不尽准确,1982年首飞的美国通用动力F-16XL已经采用硬S三角翼了,这是与F-15E竞争的战斗轰炸机,各方面性能优秀,但由于不完全是技术方面的原因而落选了。

NGF的略带前掠的后缘没有太大的特别,这主要是隐身的考虑,至少把从左翼尖到右翼尖的长直后缘分解成两个角度不同的较短后缘,减少后向雷达特征。BAe“暴风”那样大锯齿后缘的隐身更好,但不仅翼面积有所损失,锯齿后缘还导致复杂的展向流动,机翼的气动效率受到损失。

苏-57不是无尾三角翼,而是有尾的,但机翼形状也可看作截梢的硬S三角翼。最特别的是,苏-57的小后掠内段带有可动前缘,这相当于可动边条,可以近似为全动鸭翼了,气动控制效率大大提高。可动边条还用柔性蒙皮,所以没有常见的接缝,改善了局部隐身,对平顺局部气流流动也有显著作用。貌似加莱特的进气口因此从翼根前缘后退,不再是真正的加莱特进气口,而是类似F-18E的伪加莱特进气口。空客想象图上进气口同样后退,硬S三角翼内段与机体之间有缝隙,应该代表了采用可动边条。NGF模型上没有这样的缝隙,而且机翼前缘内段与进气口上唇融合,使得进气口上唇前方的可动边条不再可能。

说起来,超音速进气口的设计不简单。在超音速飞行时,发动机的进气依然需要减速到M0.5-0.6才能有效工作。减速也产生增压,帮助发动机提高效率。另外,激波锋面像刀尖一样锋利,进气道内一般不应该有激波。因此,超音速进气口设计要做到两点:

1、把进气口的气流速度降低到音速以下

2、用激波锋面“盖住”进气口,减少进气道内高压气流从唇口的溢出流失

超音速气流的减速是通过激波实现的,激波锋面可看作无形的纱窗。与气流方向垂直的激波称为正激波,成角度的称为斜激波。正激波的减速作用最显著,阻力也最大。斜激波的阻力减小,减速作用也削弱;角度越大,阻力越小,减速作用越弱。只要可能,进气口应该用几道不同角度的斜激波逐步减速,最后再用正激波减速到音速以下,在阻力和减速之间达到最优。这就是多波系进气口。一般有二波系、三波系、四波系。更高波系比较罕见,复杂性太高,但收益增加不再显著了。

这是常见的外激波进气口,还有内激波进气口。这是有意在进气口内部形成若干道激波,但激波之间互相拦截,既不造成对壁面的损害,又最大程度地减阻减速,还没有唇口溢出损失。不过内激波很难控制,很少有纯内激波进气口设计。

你F-22喷口是横着的,我就非得竖着

F-22……:那随便吧

F-16那样的皮托管进气口是正激波,但进气口前方的前机体产生的斜激波与皮托管联合作用,产生近似多波系的作用,这就是前机体的预压缩作用。F-15那样的楔形进气口不仅是多波系,还有可调上唇的帮助,进一步优化,但没有利用前机体的预压缩作用。

F-22那样的斜切菱形的加莱特进气口可以看作楔形进气口的进一步发展,而且利用了前机体的预压缩,但依然是多波系的。F-35不仅利用了前机体的预压缩,DSI(也称蚌式进气口,因为那个很有特色的像蚌壳一样的鼓包)进气口的鼓包曲面连续变化,可看作无穷多波系,还可能与唇口激波互相作用,形成外激波与内激波兼有的混合激波,因此进气效率比传统的多波系更高。

苏-57的进气口缩到可动边条后下方,可动边条才是激波控制的主要手段,因此只在外观上有点像加莱特,但在机理上是两回事,只能说是伪加莱特。

加莱特和DSI都是隐身战斗机上常见的进气口设计,但加莱特还是需要边界层分离隔道,影响隐身,也增加气动损失,但气动设计功力要求相对较低。DSI则相反,鼓包不仅是激波控制装置,还在动压作用下把边界层“剖开”、推出,不需要边界层分离隔道,气动损失小,隐身更好,但气动设计功力要求也较高,弄得不好可能搬起石头砸自己的脚。

加莱特在F-22上首先使用,除了苏-57采用伪加莱特,只有土耳其、韩国、印度的中四设计继续采用加莱特。在DSI方面,F-35首先采用,但在中国遍地开花,不仅歼-20、FC-31、歼-10B/C、“枭龙 Block 2”,连贵飞FTC-2000教练机都采用了。在西方,F-35之后的战斗机设计清一色采用DSI,不仅BAe“暴风”,波音、洛克希德、诺斯洛普的第五代战斗机想象图也都采用某种形式的DSI。


土耳其、韩国、印度的气动设计功力有限,采用相对简单的加莱特顺理成章。苏-57的气动设计水平一言难尽,但“隐身化深度大改苏-27”的称谓不是没有道理的,带大边条的中央升力体决定了不可能采用真正的加莱特。美国大三的想象图当然不见得可靠,但这至少说明DSI在“白科技”领域里已经是隐身时代“公认”的主流设计。达索NGF依然采用加莱特,不见得是达索不明白DSI的优点甚或基本原理,而可能是缺乏超算这样的利器或者风洞数据?真相只有等日后解密了。

但NGF是采用前机体预压缩的,前机体下侧面清楚地把进气气流“导向”进气口,仰视的时候有“尖锐化的洋葱头”的感觉。达索“阵风”也采用了预压缩,比较NGF与“阵风”,可以清楚地看到两者之间的渊源。但NGF的预压缩设计更加先进。从前下方看,预压缩面从机头到进气口先凹后凸,可能揭示了多波系预压缩的特点,这比从F-16到F-22的简单预压缩更加先进。这是首创。

NGF的另一个首创是在偏航方向使用二维推力转向,这可以从左右方向上“捏扁”的喷口看出。F-22首先在俯仰方向使用推力转向,这容易从上下方向上压扁的左右发动机喷口看出。二维(矩形)转向喷口的技术难度比轴对称(圆形)转向喷口更高,后者还能在俯仰和偏航之间任意转向,但二维喷口的隐身更好,尤其是转向更加迅捷,这使得二维喷口更加适合作为主要飞控手段。

F-22具有传统的“四平面”尾翼,二维喷口的控制作用只有在过失速和超音速机动时必要。NGF没有垂尾,二维喷口的偏航控制就是时时刻刻都必要了。这也是NGF敢于取消垂尾的关键。

偏航指飞机的指向与飞行方向在左右方向上的偏差。偏航控制不是用于转弯的,而是用来维持飞机指向与飞行方向一致的,正式说法是维持方向安定性。发生偏航时,飞机向一侧偏转,外侧机翼相对空气的相对速度增加,内侧则降低,造成两侧的升力不对称,可能引起意外横滚,严重的话可以导致失控。

通过这个简单的模型,很多问题都还没有办法进一步解读,法国未来究竟怎么发展这种战斗机呢?还不清楚

最兴奋的倒是印度媒体:FGFA有希望啦!

传统上,偏航由垂尾控制。较大面积的垂尾向箭羽一样,维持方向安定性。垂尾后缘的方向舵进一步增加偏航控制的微调能力。但用方向舵转弯是不妥的,至少这是很低效的手段。真正的转弯是通过一定程度的侧滚,利用升力的侧向分量实现的。

B-2也没有垂尾,而使用差动副翼实现偏航控制。也就是说,在任何时候,两侧靠近翼尖的副翼和上翼面扰流板都适度打开,靠两侧开度不同造成的阻力差异来控制偏航。这不仅增加阻力,也损害隐身。NGF用二维喷管实现偏航控制是另一个首创,可望解决B-2模式的阻力和隐身问题,但二维喷管用于偏航控制的灵敏度和长期连续动作对可靠性的影响还有待观察。

NGF的横向二维喷管也意味着达索不把超巡和过失速机动放在特别重要的位置,NGF的机翼形状也不适宜超巡。超巡不仅是推力和减阻的问题,更是机动性的问题。激波使得尾翼处于低压区内,气动控制效率大减,所以早期超音速战斗机只有简单地增加垂尾面积和采用全动平尾来补偿。过失速的情况异曲同工,也是因为传统尾翼处于机翼和中央升力体背面的低压区而极大降低气动控制效率。

F-22用高大的垂尾补偿偏航控制,二维喷管补偿俯仰控制;歼-20用全动垂尾补偿偏航控制,用受激波或者机翼影响较小的远耦合鸭翼补偿俯仰控制。NGF只有横向二维喷管补偿偏航控制,缺乏有效手段补偿俯仰控制,因此即使从气动控制上来说,也不适宜超巡或者过失速机动。

但NGF机翼的内段前缘从加莱特进气口继续延伸一段后,才转入大后掠的中段和小后掠的外段,不排除内段延伸段有可动的前缘襟翼的可能,这将产生近似鸭翼的作用,但效果较低,也没有了鸭翼与机翼之间的有利耦合作用。前缘中段和外段也容易配置前缘襟翼。内段前缘襟翼、常规前缘襟翼与巨大的翼面积和同样巨大的后缘控制面配合,意味着NGF依然拥有优秀的常规机动性。

NGF那样的二维喷管与F-22相比,可能还有改善红外隐身的作用。在水平侧向上,NGF的两个喷管尾流互相遮挡,敌机只能“看到”其中之一。在俯仰方向上虽然能同时“看到”两条,但都是压扁的,红外特征削弱了。相比之下,在水平侧向上,F-22的尾流只能“看到”一条而且是压扁的,但在俯仰方向上能“看到”两条而且是宽大的。但二维喷管的作用之一就是加强喷流与环境空气的混合,两种方式红外特征的实际差别可能并不大。

取消了垂尾,又具有特别平坦的机腹,使得NGF拥有超常的隐身性能。配合以优秀的机动性,使得NGF标榜第五代战斗机有了点底气。但到现在,公布的NGF信息只有一个缩比模型,发动机、武器、航电方面的信息都很缺乏,项目投资、时间表更是语焉不详。与NGF一同展出的还有酷似“神经元”的无人作战飞机模型,清楚地显示了达索NGF只是FCAS一部分,NGF从一开始就是按照有人-无人组队作战设计的。

无人作战飞机很抓眼球,但有人战斗机才代表战斗机科技的最高水平。NGF是一个雄心勃勃的计划,但也是一个遥远的计划。这或许寄托了21世纪法国乃至欧洲(至少是大陆欧洲)战斗机的希望,不管最终结局如何,很是值得关注。


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