Sukka's Blog

童话只美在真实却从不续写

  1. 1. 鸭翼和边条
  2. 2. 尾鳍和方向舵
  3. 3. 发动机直径
  4. 4. 弹仓尺寸和载弹能力

在今年的珠海航展上亮点不少,其中 歼-10B 矢量推力验证机和双机 歼-20 编队让不少航空爱好者大饱眼福。在飞行表演中,歼-20 首次打开弹仓,向观众和外部展示了 歼-20 的载弹能力,向世界各国发出了信号。

回首过去 11 年,从 2007 年 歼-20 正式立项,到 2011 年正式首飞,2015 年定型, 2016 年末正式交付首批量产机,2017 年换发 WS-10B/G,到 2018 年中正式列装部队。11 年打磨,歼-20 利剑出鞘,成为了 F-22 与 F-35 之后全球第三款交付部队使用的第四代战机(旧美标第四代,俄标第五代。本文之后若有提及,一律使用传统的旧美标),填补了中国在第四代战机的空白。

本文通过一张珍贵的资料(610 方案的三视图),回首一段 歼-20 坎坷前行的历史……

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上图为成飞 610 所「610 方案」三视图,估计于 2008-2010 年间泄露

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上图为成飞 2001 号机三视图

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上图为 歼-20 项目立项时的两个方案的 CG。上部为沈飞 601 所的三翼面「601 方案 新 93」CG;下部为成飞 歼-20 2002 号机涂装猜想 CG,注意方向舵并未切尖、座舱盖并未增加肋条、白色 AL-31F-M2 尾喷。

由于 歼-8II 和 歼-10 在服役初期故障不断,外加沈飞 601 方案的三翼面设计在巡航阻力、隐身性能上存在不足,中国空军最终选择了相对中规中矩的成飞 610 方案。
仔细观察成飞 610 方案的三视图和首飞的 2001 号机的三视图可以看出,两者之间的区别已经不大,610 方案也已经涵盖了很多 歼-20 的设计细节、其中许多细节保留至今。这也可以解释为什么成飞方案胜出以后在 2011 年即完成 2001 号机的首飞。
610 方案和 2001 号机可以说一脉相承,中置上反鸭翼、DSI 进气道、外反双腹鳍、全动方向舵的设计最终保留到了 2017 号机定型。但是两者之间还是有些许差别。从这些差别之中,我们可以看出成飞的一系列取舍和思量。

鸭翼和边条

「阵风」的近距耦合需要巨大的鸭翼面积导致了阻力问题和飞控问题,「台风」的远距耦合增升效果并不明显、不得不添加一对小型涡流条诱发增升。中国的智慧便是结合两者的优点(当然还有缺点),提出了介于两者之间的「中距耦合」。在 歼-10 上中国完成了对鸭翼的充分实践,没有理由不用于 歼-20 上。对比 歼-10 鸭翼高于机翼的设计,歼-20 考虑前向雷达隐身性能不得不将鸭翼和机翼位于同一高度,同时使用上反鸭翼来尽量获得一定的增升效果。但是为了扩大涡流的增升作用,成飞比「台风」的涡流条更进一步推出了 机翼 + 边条 + 鸭翼 的激进布局。

从三视图中可以看出,601 方案使用的是传统的、保守的小边条,从鸭翼后方延伸出来、融入翼身融合体之中,这种设计激发的涡流较小;但在 2001 号机上已经大胆地采用大弧度边条。可以认为,成飞在经过一系列风洞和其它空气动力学的测试以后采用激进的设计,体现了成飞的空气动力学设计实力和中国的飞控水平。
不过在 2015 号机中,歼-20 已经从大弧度边条转变为使用简单的后掠三角边条(不知道是否有雷达隐身的考虑)、损失了一定的增升效果,但面积仍然比 610 方案中的大。

尾鳍和方向舵

歼-20 的一个不同寻常的设计是尾鳍。尾鳍是二代、三代战斗机的常见设计,Mig-21、Mig-23、Mig-25、F-14、Su-27 设计中均包含大小不同的尾鳍。
尾鳍有助于提升在高空高速飞行时的安定性,但是会形成巨大的角反射效应、极大地增加侧向雷达反射面积、提升飞行阻力。然而在 610 方案乃至 歼-20 是在四代机中第一个使用尾鳍的。在 610 方案中成飞设计了一对面积较大的、外反角较小的尾鳍。在 2001 号机上,全动方向舵和尾鳍的面积相对缩小、尾鳍外反角也有所加大,可以认为是成飞深思熟虑以后,为了降低飞行阻力和减少雷达反射面积(尾鳍的角反射作用非常明显)修改的设计。从这点上也可以看出成飞对自己的空气动力设计的水平和对飞控的自信。国内一些航空撰稿人(如晨枫前辈)甚至相信 歼-20 在量产后将会取消尾鳍的设计。

不过说几句题外话,2011 号机的设计重新加大了全动方向舵和尾鳍的面积,可能是成飞在飞控或者纵向安定性上出现了一定问题,或者中国空军对飞机的高空高速时的稳定性提出了新的要求(在一次军事类电视节目中偶然透露的一个数据是 歼-20 最大实用飞行速度 M2.45)。当然国内一些航空专家也提出了一些新的看法,认为是 歼-20 不可能使用二元矢量尾喷以后使用尾鳍和方向舵遮挡尾喷降低侧向雷达反射面积(毕竟尾喷的反射特征更加明显)和红外信号外溢。不管是什么考量,在 歼-20 量产型上最终保留了 2011 号机那对较大面积的尾鳍的设计。

发动机直径

歼-20 于 2011 年首飞时,人们最关注的是 2001 号机使用的发动机。中国在航空发动机上的短板让无数人叹息,WS-10A「太行」磕磕绊绊推进、故障不断,WS-10A 的推力也不如进口的 AL-31F,所以 歼-20 的心脏病也牵挂着无数军迷的心。
可以看出 2001 号机的尾喷比发动机舱内小一圈,可见并没有安装第四代大推力涡扇发动机。白色的复合材料尾喷让人怀疑 2001 号机应该搭载的是中国魔改过的增推版 AL-31F。但是 610 方案中大直径的尾喷和发动机舱已经表明,歼-20 最终一定会使用第四代大推力涡扇发动机。我们也可喜的发现 歼-20 如今已经列装推力更大、可靠性更强的 WS-10B,未来还有机会列装 WS-15「峨眉」,将有助于提升 歼-20 的高速巡航能力。

在此列出 歼-20 可能列装的发动机及其最大推力
AL-31F(M1): 135kN(1.32t)
AL-31F(M2): 145kN(1.42t)
WS-10(歼-10): 122kN(1.20t)
WS-10B(歼-10B): 138kN(1.35t)
WS-10IPE: 146kN(1.45t)
WS-15(2016): 160kN(1.57t)
WS-15(2019): 180kN(1.77t)
中国大推的竞品的最大推力
F119: 156kN(1.53t)
F135: 191kN(1.87t)
AL-41(117S): 147kN(1.43t)
AL-41(Project 30): 178kN(1.75t)

弹仓尺寸和载弹能力

在最近珠海航展上,歼-20 在表演通场时曾经打开全部弹仓,向大家展示 歼-20 的作战能力、载弹能力。但是大家却失望地发现,歼-20 只能挂载 4 枚中距弹和 2 枚格斗弹。其实在 610 方案中,成飞的设计就是 4+2 的弹仓。所以对 歼-20 的载弹能力虽然失望,但是不应该说是意料之外。不过虽然是早在原型方案中就已经定型的载弹数量,却依然和在珠海航展上展示的有所不同。610 方案中 4 枚中距弹是交错放置,而在珠海航展上是并列放置,所以结论是 歼-20 量产型的弹仓体积比 610 方案的要大一圈。
歼-20 设计已经定型、已经开始列装部队,为了增加载弹量而去修改飞机设置已经不太现实。所以现在限制 歼-20 的载弹能力的是中国的各类空空导弹的直径。

中国装备过的红外弹有 PL-8(目前仍列装在 歼-10 中)、PL-9(目前列装于 歼-10 和 歼-11)、R-77(列装于 歼-11)。目前珠海航展上打开弹仓向我们展示了 歼-20 已经确认列装的是中国第四代红外制导近距格斗弹 PL-10。
中国装备过的中距弹有 PL-11(测试、已停产,主要列装 歼-8)、PL-12(目前列装于 歼-10 和 歼-11)、PL-15(基于 PL-13)。目前珠海航展上已经确认 歼-20 列装的是 PL-15。
考虑到 PL-15 的体积,在 歼-20 中「宽松」挂载仅能携带 4 枚中距弹是可以理解的了。如果日后修改挂载方式、或者 PL-15 推出瘦身改型,歼-20 还是有可能实现 F-22 一样 6+2 的载弹量。

上个世纪 90 年代,AIM-120C 尚未服役的时候,洛马为 F-22 预备挂载 AIM-120A 也是使用 4+2 的挂载方式,不过弹翼更小的 120C 服役以后 F-22 清一色换上了 6+2 的挂载方式。既然已有前车之鉴,我们对 歼-20 的 4+2 也无需太过挂虑;更何况我国目前战斗机的挂载标准都是低得吓人的 2+2,目前只有 歼-11 能挂载 4+4。
但是从另一个角度来考虑,PL-15 受限于中国的技术水平,弹体体积已经压缩到极限水平;超远距的 PL-21 自然也没有考虑的必要;所以可以抱有希望,但我认为 歼-20 在未来五年里是不太可能实现 6+2 的挂载方案了。

本文作者 : Sukka
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