【深度】歼20和鸭式布局技术分析,歼-20与F-22隐身技术分析

君豪看国际 2023-04-03 08:24:06

声明:著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权,非商业转载请注明出处。

先从气动布局说起。

所谓鸭式布局,是一种十分适合于超声速空战的气动布局。将水平尾翼移到主翼之前的机头两侧,就可以用较小的翼面来达到同样的操纵效能,而且鸭翼和机翼可以同时产生升力,而在机身较后方的水平尾翼在平衡力矩的时候则会产生负升力(注:正是因为鸭翼、水平尾翼位于飞机重心前部与后部这一点不同,在飞机做出俯仰、横滚的姿态改变时,对飞机重心产生的俯仰、横滚力矩,有了相反的方向)。在大迎角状态下,鸭翼只需要减少产生升力即可产生低头力矩,从而有效保证大迎角下抑制过度抬头的可控性。简而言之就是使用该型布局可以提高飞机在大迎角状态下的升阻比,节省发动机推力。但是其缺点就是不稳定,需要严苛的飞控系统来支持。

鸭式布局在漫长的飞机设计史上不受青睐,是带有很明显的历史局限性的。简单来说,旧时代航电/制造工艺以及对气动布局研究的缺失导致鸭翼的优势被埋没、而劣势被放大到无法接受的地步。具体表现为:

1,鸭翼的气动特性不稳定,航电无法操控。

2,鸭翼目标太大,容易被击中。

3,鸭翼不能提供足够的低头力矩,虽然在大迎角下操纵性能好,但过余的升力无法抵消。

4,超音速下鸭翼带来的问题被进一步放大,不仅是结构强度的问题,还有低头力矩力效还会进一步降低。

以上缺点的综合,才造成了F-16总设计师哈里.J.希拉克尔那句著名的评价:“鸭翼最好的位置是在敌人的飞机上。”

但随着相关技术的进一步发展,鸭式布局的优良性开始被逐步发掘。以欧洲双风、鹰狮、歼10为代表的三代机开启了在现役主力战机上大规模使用鸭翼的先河,以及后来的歼20,现役唯一使用鸭翼的五代机。

歼10/阵风,典型的鸭式布局

然而随着鸭翼在隐身机上的应用,关于“鸭翼会影响隐身性能”的说法不胫而走。

但事实上,没有任何证据证明鸭式布局会破坏战机的隐身性。即使我们拿不到机密的RCS数据,但依然可以从现有资料方面做出相应分析。

整机RCS测试 非单纯鸭翼

由于鸭翼本身是一块没啥活动机构和开口的翼面,因此鸭翼给前半球隐身带来的负面影响,也就是多出两条和主翼不完全平行的边带来的边缘绕射,而且鸭翼本身是有后掠角的,因此除了刚好完全垂直鸭翼前缘那个角度外,在其他正常的正面方向上,这个鸭翼前沿贡献的反射非常小,鸭翼贡献的反射面积连0.0001平米都不到(不算涂料的事情),要拿掉鸭翼能带来的正面隐身增益大概也就只有那么多。

量产机前尖角都经过了钝化

进气道处理的很好

实话说,就鸭翼那么点边缘散射,还不如歼20和F22上都有的,在主翼前缘整个长度上的前缘襟翼,这玩意正面投影比鸭翼长的多,边缘厚度也比鸭翼厚,要说贡献正面RCS不知道比鸭翼那点高到哪里去了,更别提F-22正面加莱特进气道和机身形成的类似于角反射器的结构了。事实上,这样的结构处理不好,会导致来波形成空腔散射,形成较强的回波,其“结构缺陷”可是实打实的。

(补一个:F-22硕大的垂直尾翼和主机翼,垂直尾翼和水平尾翼之间形成了一个相交平面的锐角,这样在面对侧向的雷达来波时会形成较多的散射,这是几乎所有采用常规布局V型尾翼飞机的通病。反而鸭式布局飞机,因为主机翼和垂尾之间的平面相交线短,散射弱于常规布局飞机。)

发动机喷口处理的相当不错 但V型垂尾一言难尽

综合目前各方信息,可以认为经优化后的鸭式布局和常规布局的隐身性能基本处于同一水平。

谈谈歼20。

J-20 气动布局的创新之处在于将鸭式与边条翼和升力体糅合在一起,超音速,跨音速,亚音速气动性能都非常出色。其鸭翼兼具常规俯仰控制,涡流发生,涡流操控的三重功效,整机对涡流场的利用水平远远超过了之前任何机型。

采用小展弦比(中等后掠角)机翼的升力体边条鸭式布局,使超音速阻力特性、低速最大升力特性和亚跨音速升阻特性的矛盾得到了统一。 ——宋文骢《一种小展弦比高升力飞机的气动布局研究》

同时歼20姬采用全动式鸭翼,在起飞时可以调整升力系数、降落时可以充当减速板的功能

就像这样,增大迎风面积,破坏气动外形性能,使得减速距离减少,对跑道的长度要求降低,可以短距起落,起飞的时候增升,降落的时候减速,减少对刹车片的磨损。

歼-20的气动面数量多达16个,包括鸭翼、边条、前缘机动襟翼、主翼、后缘襟翼、副翼、全动垂尾、腹鳍,再加上至少五种涡流,气动之复杂举世罕见。要把所有这些元素融合一身,飞行控制律难度极高。

菱形机头+DSI进气道+鸭翼+边条+大三角翼,这样最终优化出来的气动布局也就基本决定了歼-20超长的机身长度,当然还通盘考虑了其它诸多因素。超长机身至少带来以下好处:

1、超音速巡航性能好

2、长机身为鸭翼和垂尾带来足够长的力臂,超音速机动性、稳定性和配平能力都特别出色。

3、长机身还带来巨大的机内容积,可以从容布置大型弹舱(歼-20的主弹舱比F-22更长更深,可以挂载更大型的弹药)、弯曲隐身的进气道、充足的电子设备空间,最重要的是可以拥有超大的载油量。

当然该气动布局并不完美 。事实上,战机所有的设计都是妥协的产物。J-20 在气动布局方面最主要的缺陷就是亚音速巡航升阻比不好 ,执行巡逻任务时的滞空时间不如常规布局飞机,携带重型外挂武器时的航程载荷也不如常规飞机。

补偿方法当然也有,比方说配个上面这玩意

关于隐身,配几张图

歼-20在气动布局设计时很好地贯彻了平行原则和倾斜原则,将雷达回波范围集中于非常有限的几个角度之内,和F-22基本处于同一水平

注:歼-20的进气口因为采用了DSI设计,本身的隐身性能就强过F-22的加莱特进气道;歼-20的全动垂尾也因为尺寸更小,在气动性能和隐身效果上要强于F-22的高大垂尾。

歼-20和F-22在正脸方向的设计几乎完全一样,任意两个平面之间都不构成直角。而对比三代机中最经典的F-15,高大的垂尾、进气道两侧的机身和机翼几乎是90度垂直的,构成巨大的直角反射器。

歼-20进气道有DSI鼓包的遮挡,进气道内部的扭转,加上超长的机身,累积吸波效果好,进气道隐身性能比F-22只高不低

综合来看,除了进气道和尾翼,其余部位隐身性能二者基本处于同一水平。

补充:

有观点认为歼20使用鸭翼主要是为了弥补发动机推力的不足,但这种“动力不足气动补”的观点并不准确。鸭翼布局对推力补偿的效果微乎其微,与其说是因为发动机落后而妥协使用鸭翼,不如说是看中了鸭式布局在超音速领域的优良性能,并在此基础上努力换装更先进的动力系统。

PS:即使未来歼20换装了WS15或更先进的第五代/变循环发动机,鸭翼大概率也会得到保留。原因包括但不限于:

1.没有鸭翼就没有鸭翼与边条的涡的复合,只能单纯靠机头边和边条的涡流增加升力。由于机头棱边与边条高度基本和主翼差不多,不像鸭翼是和主翼错开的,因此迎角较小的时候压根拉不出相应的涡流来增强机翼涡,换句话说整机的升力系数在不同迎角下都会不同程度的有效降低。考虑到歼20的小展弦比大后掠角主翼,相信这样做能让歼20的低速飞行品质和起降性能迅速下降到歼8的水平。

2、由于同上原因,没有鸭翼的歼20大迎角和亚音速机动能力也会显著下降。另外无论超音速和亚音速升阻比也会降低,航程指标将进一步向歼7靠拢。

3、由于缺乏了鸭翼这样一个远离气动中心的操纵面,而且也没有水平尾翼,因此俯仰操作将完全靠主翼后的襟翼和副翼。综合考虑其安装位置以及具体大小,整个飞机俯仰操纵都会变得极为困难,另外五代机标杆之一的超音速机动能力也会由于缺乏有效操纵面而难以达到。

4、由于缺乏差动鸭翼,飞机的滚转性能将会显著下降。

总结来说,鸭式布局与传统布局并非孰强孰弱、先进or落后的关系。所谓需求决定选择,战机的气动布局选择,与其定位、指标、配套设施建设、研发水平、制造水平、资金池大小都有密切的关系。随着相关技术的的发展、桎梏的解除,相信鸭式布局的局部优势会得到进一步的开发和利用。

补几张图~

中美下一代战机的概念图/谍照

NGAD

西北高原某机场

可以看到还是鸭翼

23 阅读:7013

评论列表

鹰隼

鹰隼

9
2023-04-03 22:14

歼20有如此优秀的气动布局,成都市一位军迷贡献颇大。2001年初,该军迷设计了一款双发隐身战机线条图,并且于当年4~5月邮寄给了成都飞机公司总经理,俯视图与上图中第五图除了鸭翼与主翼间的边条样式(军迷设计为拱尖边条),以及尾撑后缘(军迷设计为与主翼平行,并且可以像升降舵一样上下摆动)略微区别,正视图与现版歼20只是进气口形状(军迷设计为正梯形),军迷设计的鸭翼都上翘10~15度,鸭翼根与主翼根在同一平面,主翼为基本平直中单翼,与现版歼20带下反角的中上单翼略微区别外,其他外形可以说百分百一致。军迷连垂直尾翼为全动式,都作了说明。

丁丁 回复 04-05 11:22
线条图就是没用,你说破大天也没用。我初一就画了个驱护舰线条图,一样飞剪艏+短艏楼+垂发+舰尾机库,我也没去找中美海军要052c/D和伯克的专利费……还有,别以为外拱边条+鸭翼只有20一家,93年苏霍伊寄给日本《航空迷》杂志社的苏37模型,就是外拱边条+鸭翼,人家模型不比你线条图严谨?不比你线条图精密?

nononoba 回复 04-09 14:45
飞机设计可不只是画图

你跌

你跌

9
2023-04-04 15:29

那时候的美国根本搞不定鸭翼飞控,所以说了这句话。被军盲认为是真理,对我国歼10歼20大肆抨击。实在可笑。

XXX 回复 04-12 23:58
歼35和歼20都不是一个级别,歼20是重型,f22为啥是双发,f35为啥是单发

用户10xxx29 回复 04-10 15:41
肯定的,但是在役差距很少,老美的技术储备很厉害,但是有一些技术储备现在造不出来了,可如果他想,我觉得恢复工业能力,也就是七八年的事

10

10

8
2023-04-04 15:09

现在涡扇15已经量产了,歼20机动性估计爆表了,六代机不出,估计没谁可以比得上了。。。

用户36xxx07

用户36xxx07

7
2023-04-03 21:43

分析很透彻

EUREKA

EUREKA

4
2023-04-04 00:10

深度好文,推荐b站飞羽社J20气动设计相关视频,讲得更细

满清第一巴图鲁

满清第一巴图鲁

4
2023-04-04 00:08

哦,F22牛逼

用户92xxx03

用户92xxx03

3
2023-04-04 21:20

F22:这这这,,,至少20姬没实战[得瑟]

用户92xxx03 回复 04-06 13:18
F22:看不起谁呢!我这地位怎么也要用个4发

冰海螺 回复 用户92xxx03 04-07 11:44
草率了,草率了[笑着哭][笑着哭][笑着哭][笑着哭]

用户10xxx10

用户10xxx10

2
2023-04-04 12:42

你说的气动布局差距在开了挂矢力发动机面前彻底实现人人平等了。

木刀

木刀

2
2023-04-12 19:28

傻大黑粗笨又长,机动都没客机强,哪个笨蛋把飞机设计成这样?

叶落秋塘

叶落秋塘

1
2023-04-03 22:29

靠,狗子们,这贴太专业,没法喷,快溜[呲牙笑]

左鱼右笙

左鱼右笙

1
2023-04-04 20:12

专业[点赞]

解放

解放

1
2023-04-14 22:48

太专业了,我这个门外汉听不懂

Lin

Lin

1
2023-04-15 00:55

F-35:你在天上是牛🍺,你敢入海与我一战否?

barbarcat

barbarcat

2023-04-07 15:56

典型鸭翼应用里必须去掉阵风,阵风只是导流片,改善起降时的距离和功耗,和苏33,歼15的小翼没什么质的不同,这不是鸭翼的真正应用。另外歼20布局不利于。高亚音巡航更是无稽之谈,歼20对常规布局是全面碾压,没有弱点。除非新一代布局成熟。

barbarcat 回复 丁丁 04-11 23:15
配平操作面在前面的是鸭翼,在后面的是常规。幻影2000就是通过压襟翼抬头来实现配平的,些飞控的编写和常规布局是一类。阵风的飞控也是压尾抬头,这就是一个常规布局,一做机动就必须压尾,升力系数很难看。真正鸭翼布局如歼10,都是直接抬头,全抬式布局。所以阵风不是鸭式布局操作,和幻影一样是常规布局,只是加了两个导流片小翼改善起降距离和油耗,小翼无法抬头,阵风是常规压尾抬头。

丁丁 回复 04-11 22:26
得了,悠西到处是你介种啥也不懂楞充军迷的大神。还给我科普……什么是鸭翼,有几种,你都分不出来,一边凉快去!

南月居士

南月居士

2023-04-13 16:11

歼二零就没有缺陷吗?

拖O 回复 04-15 03:24
有缺陷,不能光学隐身

用户92xxx52

用户92xxx52

2023-04-15 07:45

这是中国工程师们的超凡的成就!亚音速超音速机动性要强,迎角性能指标又那么高,矢量发动机又没有,甚至配套的发动机还遥遥无期,某所拿出三翼面方案。你说你还想要啥样的,靓仔?[得瑟][得瑟][得瑟]

君豪看国际

君豪看国际

感谢大家的关注