​歼20升力系数世界第一是怎么炼成的,气动布局的先进程度超乎你的想象

2020年7月15日,国家知识产权局公布了第21届中国专利奖评审结果,歼20“升力体边条翼鸭式布局”外观设计专利荣获中国专利奖外观设计金奖。这是航空工业成都所首次获得专利领域的国家级奖项。

著名空军装备专家傅前哨公开谈到歼20采用了基于涡流控制技术的升力体机身、鸭翼、边条、机翼、后机身边条、外倾双腹鳍和外倾全动双垂尾的一体化非常规气动布局,其控制和受控涡流至少包含机头鳍角涡流、进气道鳍角涡流、鸭翼涡流、边条涡流和机翼前缘涡襟翼涡流等——复杂多涡系的互相耦合,若设计水平高,控制得当,将产生巨大的升力收益和减阻效果(显著超过使用升力体机身、边条翼、鸭翼三者中一种或两种时)!其升力系数不小于2.1-2.2,世界第一。而在同等设计水平时,鸭式布局的阻力系数比常规布局小10%左右,同时歼20机身长细比较大,截面积较小,也利于减阻。从宋文骢院士的相关论文中,利用所给相关参数推算其升阻特性,结果类似。常规布局的F22公开升力系数为约1.7,超声速巡航零升阻力系数约0.035:我国曾用高精度(测绘仿制)缩比模型进行风洞试验,所测数据近似。歼20的升力、阻力系数明显优于F22。

歼20采用了基于涡流控制技术的升力体机身、鸭翼、边条、机翼、后机身边条、外倾双腹鳍和外倾全动双垂尾

  歼-20气动布局细节分析

常规布局中平尾操纵飞机抬头时,要向下偏转产生负升力,压下机尾,属于加载舵面。但飞机有正迎角之后,将部分抵消平尾负迎角,降低其效率。平尾距飞机重心一般比早期鸭式布局鸭翼距重心大,操纵力矩有时较高。但歼20属中、后期鸭式布局,其鸭翼面积较大,距离机翼较远,中间以边条过渡,既能利用不同气动面产生的多涡系干扰提高飞机升阻特性,还有效加大鸭翼和飞机重心间距,提高了操纵力矩,正常迎角操纵效率不比平尾差。

鸭式布局的阻力系数比常规布局小10%左右,同时歼20机身长细比较大,截面积较小,也利于减阻

歼20还有较大面积的后机身边条、外倾双腹鳍和外倾角较大的全动双垂尾。在大迎角时,后机身边条能提供一定俯仰稳定性和低头力矩;外倾双腹鳍位置较低,不易受机翼湍流影响,能提供一定横侧稳定性和低头力矩;全动外倾双垂尾因有效舵面面积大,也可起平尾的部分作用。外倾全动双垂尾的采用,显著提高了飞机的偏航操纵能力,也兼具一定的类似平尾的俯仰操纵功能。由于整个垂尾都是有效舵面,垂尾面积大大缩小,可明显提高隐身能力,并有效减少气动干扰和阻力。这明显优于外倾常规双垂尾(仅方向舵可偏转,F22/F35采用)。

作为气动布局重要部分,歼20采用两侧偏下布置无附面层隔板进气道。该进气道利用复杂形面鼓包)对来流进行多次折转并处理堆积的附面层,属于多波系超声速进气道,其基础性能高,优化设计后成功避免了进气道S型转弯导致的气流局部损失增加,总压恢复系数下降。由于歼20是上单翼,且机身采用升力体设计,进气道受有益气动干扰,大迎角性能接近两侧肋下进气道或腹部进气道,可充分发挥太行改的性能,提供更大的稳定工作裕度。

作为气动布局重要部分,歼20采用两侧偏下布置无附面层隔板进气道

歼-20其实是三翼面飞机

在该机设计初期,后机身边条后缘可上下偏转,但在风洞试验和试飞中,发现没有必要。所以,歼20也可算作三翼面飞机,兼有常规布局和鸭式布局的优点。该机可完成对常规飞机称为大迎角过失速机动的动作,此时仍稳定可控。公开出版的沈阳所院士回忆录谈到:90年代末隐身战斗机方案竞争和风洞实验时期,我国根据F22宣称的大迎角性能,提出一项主要战技指标是我机在60-70度迎角时仍有较好的稳定性和操纵性。尽管双方方案均达到指标要求,但成都所击败了沈阳所,这只能说明前者性能更好。

歼-20为何空重这么轻

因歼20研制年代较晚,有技术上的巨大后发优势,该机空重成功控制在15-16吨级:可利用我国新建的世界最大的8万吨级模锻压机,单缸压力世界首位的4万吨级的模锻压机,以及多种数万吨级的拉伸机、挤压机和一些新型铸造设备——这些传统加工设备均优于西方。还大量采用新技术新工艺:液态金属(特别是钛合金等航空材料)电磁约束成形技术,金属超塑成形技术,金属3D打印技术等。该机空重明显比F22轻,翼载荷较小。2017年,采用太行改进型发动机的歼20投入批产,图片在网上公开。该发动机单台全加力推力140-142千牛,赋予歼20不亚于强敌的推重比,带来了超声速巡航和机动性等方面的收益。

行家看飞行表演,歼-20的表现要比F-22更好

若飞机升阻特性不够高,翼载荷较大的话,即便推重比不低,在完成一些大机动动作时,也必然有剧烈的高度和速度损失,这在追求保持能量的现代空战中尤为不利。歼20早期型(空军2015-2016年接收)在2018珠海航展上,以作战机动动作进行飞行表演。通常包括编队超低空通场,单机爬升接半滚倒转,单、双机小半径盘旋,单机大迎角爬升等。该机除大迎角爬升时开加力(直观看为喷口喷火)外,基本未开加力。早期型歼20发动机推力较太行改小,未采用推力矢量技术。

歼20通常在超低空通场后,以超过60度迎角拉起,接一个半滚倒转,在3秒内将机头指向改变180度,其机头转向角速度可达60度每秒以上。该机此时,速度未出现明显变化,高度还在较快增加。与之相比,F22完成该动作时,速度明显下降,高度增加较慢,机头指向能力虽然接近我机,但以能量损失为代价。歼20通常会连续进行三次小半径稳定盘旋,盘旋半径逐次减小,第三次大约150米,4秒左右完成半圈180度盘旋,过程中该机的速度、高度基本不变。此时稳定盘旋角速度不小于45度每秒,可用公式算出其飞行速度近120米/秒,马赫数略大于0.35,稳定盘旋过载近9.5g:远超瞬时盘旋角速度勉强达30度左右的三代、三代半飞机。类似的机动动作,F22借助推力矢量也可完成,但会明显地掉高度、掉速度。

歼20飞行表演时,各气动面拉出的涡流

歼20还在盘旋、爬升等机动过程中,进行了多次主、侧弹仓的同时开、闭,展示了中远程的PL15和中近程的PL10空空导弹。此时,该机的速度、高度基本不变。而在F22的飞行表演中,同时开、闭主、侧弹仓,会有明显的高度和速度损失。

歼20每次表演结束告别时,均拉70度以上迎角高速爬升(向前同时向上飞行),整个飞机上表面都是各气动面拉出的涡流(表演空域靠海,空气湿度大,涡流引起空气密度变化后水汽以雾滴析出,人眼得以观察到涡流)。由于迎角很大,机翼很难产生足够的正常气动升力,主要靠各气动面拉出的高速脱体涡增升。该机从超低空拉起到穿云,仅用3-4秒,根据当时当地气象条件如云底高等估算,其平均爬升率超过500米/秒。

与之相比,F22最大爬升率在300-400米/秒,差距明显。原因是其常规布局大迎角升阻特性不够好,升阻比较低,仅靠发动机增速不够。该机爬升时,自重减少较慢(武器投放和燃油消耗),但阻力和速度平方成正比,还与气动干扰有关,速度增加后,阻力增加较快,升力增加却不够多,发动机剩余推力一般又小于飞机空战重量的30-40%,阻力、重力会迅速和升力、推力达到平衡,爬升速度不再增加。正如专家傅前哨所言,飞机飞行性能首先取决于气动,气动特性好,装上好的发动机可以锦上添花;即便发动机差一些,气动也能在很大程度上弥补;若气动特性较差,发动机再好,能弥补的也有限。

 

2020-08-21智邦网

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