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1、成飞歼 20 研制背后：最透彻的性能分析关于四代，国内外的传说也有好多年了。开始的时候，人们都是将信将疑。这也难怪，歼-10 折腾了 18 年才终成正果，四代在西方也是顶级技术，中国航空技术已经那么先进了吗？人们的怀疑是可以理解的，中国航空的飞速进步也是可以理解的。工程技术和科学发明不一样，不是靠灵机一动，而是靠扎实、持续的不断进步。绵阳的风洞群和中国自己研制的超级计算机提供了客观条件，歼-10 训练了一支精干的队伍，枭龙和一系列项目不仅练手，而且可以渐进地尝试新技术、新材料、新概念。美国航空在 40-50 年代的爆炸性发展也是这样的，在战时建立了完整的科研、试验和生产体系，战后迅速研制了一系
2、列飞机(包括研究性飞机) ，交替前进，大步快跑。中国航空已经进入质变，进入跨越式增长期，我在 10 年前就壮着胆子说过这话，当时没人相信。现在看来，没有蒙错。回到四代。快两年前，四代已经风传得沸沸扬扬，但四代的基本气动布局都还争不清楚。确实，F-22 采用常规布局，YF-23 也是 V 形尾翼的先进常规，F-35 依然是常规。俄罗斯的T-50 还尤抱琵琶半遮面，后来也知道依然是常规布局。另一方面，沈飞对三翼面情有独钟，成飞在歼-10 上对鸭式取得了很多经验，珠海航展上又冒出来一个前掠翼的“暗箭” ，四代到底会是什么样子的呢？现在知道了，是鸭式。这既在意料之外，又在情理之中。我在 DIY 设计中
3、国第四代战斗机里对几种气动布局作了比较，按照隐身、超巡、超机动、设计和工艺难度分别打分，然后加权综合。热门作战飞机：歼 20 战斗机， 歼 15 战斗机，轰-6 战神， 翔龙侦察机， 枭龙最后得出结论，四代最可能的气动布局依次为：鸭式常规先进常规三翼面前掠翼。在对隐身、超巡、超机动、设计和工艺难度加权调整后，可以作灵敏度分析，避免加权选取不当造成结果的偏差，最后结论，不管空优为主，防空为主，空地兼优，技术有限，财力有限，或者数量优先，鸭式都是最优选择，常规紧随第二，三翼面只有在技术限制成为瓶颈的时候才跃居第三，否则是先进常规第三，前掠翼总是敬陪末座。看来在鸭式的问题上，又蒙对了。四代和 F-2
4、2、T-50、米格 I.42、YF-23 的比较，谁能比出四代是抄袭的，那该回娘肚子里去重新长一副眼睛了回到鸭式。鸭式对于超巡十分有利，对于超机动也同样有利。无尾三角翼有利于实现面积律，这是人们早已熟知的。另一方面，由于隐身的需要，机翼后缘不应该是平直的，机翼后缘都带有前掠可以在相同翼展情况下增加翼面积，降低翼载，并增加翼根长度，改善翼根受力情况，但这使得翼根后缘十分靠后，常规平尾的位置很难安排，F-22 和 T-50 都只得在机翼后缘斜切一角，才能挤进平尾。由于平尾和重心的距离很近，力臂较短，只有用较大的平尾面积才能管用。T-50 的平尾面积缩小，但如果力臂可以拉长的话，本来可以进一步缩小的
5、。但采用鸭式布局的话，鸭翼在机翼前方，不和后延的翼根冲突，比较好解决。四代的鸭翼相对主翼的位置比歼-10 进一步靠前，增大了力臂，增强了效用，所以较小的鸭翼就可以达到很大的作用。-四代这样的远距耦合鸭翼的优点早已为人们所熟知，但为什么在战斗机上只有欧洲“台风”才使用呢？因为鸭翼可以有两个作用：配平和涡升力。远距耦合鸭翼有利于配平，但不利于产生涡升力。配平力矩强有利于加速改变机头指向，涡升力强有利于稳定盘旋，两者各有各的用处，但通过鸭翼的位置很难兼顾两者要求。另一方面就是飞行员的世界，远距耦合鸭翼常常遮挡了飞行员侧下方的视界，十分不利于空战格斗，欧洲“台风”就有这个问题。但四代的长度很长，鸭翼在
6、飞行员肩膀后的进气口上唇，对空战视界的影响很小，那个角度就是不看到鸭翼，看到的也是机翼。根据测算，四代的机身长度达到 21.30 米，比 F-22 的 18.92 米和 T-50 的 20.40 米都要长，和米格 I.42 的 21.60 米差不多。四代的进气口在机身两侧，机体本身较宽大，而机尾喷口是紧密并排的，所以可以肯定四代的进气道有相当程度的弯曲。加上 DSI 的有限遮挡，发动机正面不暴露在直射雷达之下是可以肯定的。四代机身为什么那么长现在还不清楚，有几个猜想： 1、 机内武器舱布置的需要2、 进气道设计需要3、 翼面积和远距耦合鸭翼的需要现在还不清楚四代的机内武器舱的大小和分布，但有了
7、那么长达的机体，机内武器舱的空间应该比较充裕。F-22 也是弯曲进气道，但 F-22 的总厂要短很多，这可能是因为美国的进气道设计水平和发动机长度的关系，也可能是 F-22 采用固定进气道，而四代采用可调进气道。比较进气口之间的间距，再比较发动机喷口之间的间距，不难看出，四代采用了弯曲进气道，弯曲进气道天然提供了机内武器舱的空间，只是还不清楚四代的机内武器舱的具体布置方式四代采用了 DSI，用三维复杂曲面的鼓包把进气中的附面层迎面剖开，然后用压力梯度顶到进气口的两角泄放。不过四代的 DSI 有三个特别的地方，一是不对称，鼓包的位置偏上，而不像常规 DSI 的对称设计，这可能是照片不清晰造成的错
8、觉；二是进气口侧唇口带有后掠，这是世界上已知 DSI 中绝无仅有的；三是四代的进气口是可调的，这也是第五代( 是不是四代该改称五代了？要不这也太别扭了)战斗机中唯一采用可调进气口的。成飞一定是世界上 DSI 经验最丰富的飞机公司了，一口气设计了三架 DSI 战斗机：枭龙 04、歼-10B、四代。相比之下，洛克希德-马丁只有 F-35，研究机不能算。成飞在四代上采用这样特别的 DSI，是有道理的。进气口设计需要做 3 件事情：1、 分离附面层，保证干净气流进入进气道2、 在大迎角下也保证正常进气 3、在超音速飞行时把进气气流减速到亚音速，并增加压力，也就是所谓的总压恢复四代 DSI 恰好在这三个
9、方面都用最小的折衷做到了。DSI 本来就是用来分离附面层的，DSI 的附面层分离效果好，阻力小，总压恢复好，但 DSI 只能对一个有限的速度范围优化，很难做到对很大的速度范围都高度有效。另外，DSI 的鼓包设计本来就相当复杂，需要考虑三维流场和压力分布。为了隐身，四代的机头是菱形截面，进气口是像 V 形一样向两侧倾斜，在大迎角下流场更加复杂。为了改善大迎角下进气口对空气的“捕捉”效果，进气口像 F-15 一样带一点后掠。为了不给 DSI 设计带来太大的困扰，后掠没有 F-15 那么大。但V 形机头下半部的前机身预压缩能力不足了进气口后掠不足的缺憾。另外，正因为进气口后掠，下唇位置靠后，所以鼓包
10、位置偏上，和鼓包剖开造成两撇“胡须”的下一半的位置正好对上。四代之前，所有隐身战斗机都采用固定进气口。固定进气口简单，没有可动部件，雷达反射特征小。从 F-22 开始，固定进气口几乎成为隐身战斗机的固有特征，F-35、T-50 都是固定进气口。但固定进气口只能对较小的马赫数范围优化，F-16 采用固定进气口之后，尽管推重比比 F-104 增加了 40%，但最大速度相当，部分原因就是因为 F-16 的固定进气口是为跨音速格斗而不是最高速度而优化的，而 F-104 的进气口是可以通过半锥可调，所以在更大速度范围内保持最优。在超音速飞行时，进气口的唇口也造成激波，激波的锋面好比气帘，气流通过激波锋面
11、的时候得到减速。可调进气口可以在不同速度下有效地控制激波的形状和位置，使气流达到发动机正面的时候为最优速度、最高压力。不可调进气口只能在设计速度做到这一点，在其他速度下，要么气流速度依然过高，发动机前面几级压缩机非但起不到压缩机的作用，反而变成风车，使气流减速到亚音速；或者速度过低，大大增加压缩机的负担。F-22 采用加莱特进气口，也称双斜切双压缩面进气口，或者斜切菱形进气口，不同的说法，都是一个意思。这个设计比 DSI 超音速性能好，适应的速度范围更大，但毕竟还是固定进气口，最终逃不过固定进气口的限制。好在 F-22 有两台变态的发动机，超巡没有问题。T-50 的超巡性能现在不清楚，T-50
12、 的进气口和 F-22 有所不同，但大路子相似。F-35 采用DSI，只有一台发动机，尽管推力变态，还是力不从心，最高速度只有 M1.6，超巡就免提了。四代要做到超巡，但中国没有 F-22 这样变态的发动机，只有用可调进气口来帮忙，达到足够的超巡性能。四代的进气口上唇可以下垂，像 F-15 一样，这就是可调进气口。和F-15 不同的是，F-15 的可调进气口是暴露在外的，而四代的可调进气口是包拢在进气口结构内的。四代这样做当然是出于隐身的考虑，但可能造成进气口唇口较厚、阻力增加的问题。工程设计本来就是得失权衡的过程，只要最终结果得大于失，这就是值得的。不过四代的进气口上唇下垂如何避免和 DSI
13、 的鼓包打架，这还是一个有趣的问题，有待更多的细节图片才能解惑。活动上唇和固定外壳之间不可避免的间隙里，如何避免杂物和尘土嵌进去，造成可调上唇动作受阻，这也是一个具体的工程问题。四代的进气口可算是 DSI、加莱特和 F-15 那样的可调锲形的结合体，这也给了四代正面大青蛙一样的特征。有的示意图上，四代的鸭翼是箭形的，但从正面照片来看，鸭翼是梯形的。按照尽量减少边缘角度的 edge alighnment 原则，机翼形状应该和鸭翼一致，机翼、鸭翼前后缘对齐。如果最后证明鸭翼不是梯形而是箭形的，那也无妨，鸭翼和机翼的前后缘不一定需要左面对左面，左面对右面也是可以的。机翼采用 M 形或 W 形虽然也符
14、合 edge alighnment 原则，但增加了内角和凸角，增加后向雷达反射特征，能避免最好避免，只有在前掠后缘导致翼根长于机体长度的时候才不得已而为之。双垂尾的形状估计了鸭翼一致，有利于边缘对齐。垂尾翼尖斜切一刀，估计机翼、鸭翼也有同样角度的斜切一刀。米格战斗机的垂尾经常有这么一刀，F-15 的翼尖也是这个样子，这是为了躲开翼尖涡流造成的额外阻力。四代的鸭翼是全动的，四代的双垂尾也是全动的。已知战斗机中，只有 T-50 是全动垂尾，F-22 和 F-35 都是常规的固定垂尾加可动舵面。全动垂尾和全动平尾一样，都是飞控要求和水平提高的结果。传统的横向稳定的飞机设计中，后机身的水平方向投影面积
15、应该大于前机身，这样飞机就像风向标一样，在横向是自然稳定的。后机身是指整机重心以后的部分。现代战斗机的发动机占了飞机重量的不小的一部分，飞机重心越来越靠后，所以机翼也靠后，造成 F-18 这样机头像仙鹤一样长长地伸在前面的样子。但这样，后机身的投影面积就越来越依靠垂尾，一个垂尾不够，有时还需两个垂尾。双垂尾还有额外的好处，可以把舵面差动动作(也就是同时向外，或者同时向里 )，充当减速板使用。像 F-18 那样的外倾双垂尾的舵面差动动作的话，还可以产生额外的压尾力矩，帮助飞机及早抬头，缩短起飞距离。外倾的双垂尾还有降低侧面雷达反射面积的的好处。对于远处照射过来的雷达，入射角基本上可以等同于水平入
16、射，直立的垂尾像镜子一样反射，外倾的垂尾就明显降低了雷达反射特征。不过外倾的双垂尾在飞控上比较别扭，不光产生偏航力矩，还产生滚转力矩，要达到飞行员的无忧虑操作，需要较高的飞控水平。四代比这还进了一步，采用了全动垂尾。全动垂尾变被动的自然稳定为用主动控制达到方向稳定，好处是可以用较小的垂尾，重量和阻力都较小，雷达反射面积也小，坏处是对飞控要求进一步提高。四代采用这样极端的技术，说明了成飞对先进飞控的信心。但四代飞控之变态不在于此，而在于可动边条。在众多侧视图中，不大为人注意的是鸭翼和机翼之间的边条，有一条清晰可见的缝线，这只能是可动边条。四代的远距耦合鸭翼注重配平作用，有助于敏捷的机头指向，但对于稳定盘旋所需要的涡升力没有太大的帮助。欧洲“台风”在鸭翼和机翼之间增设了一对小小的扰流片，用于产生涡升力。四代大大地进了一步，鸭翼和机翼之间的边条是可动的。由于和机翼在同一水平面上的缘故，四代的鸭翼略带上反。一般说上反翼增强横滚的稳定性，用于自然稳定性不足的下单翼。四代鸭翼相当于上单翼，上单翼用上反十分罕见，对敏捷性是负面影响，但鸭翼面积太小
