歼-10和歼-11在改进为四代机上的条件和选择 机载设备复杂程度的增加和功能的扩展使战斗机日趋大型化,三代机的时期还有可能出现F-20这样标准的轻型战斗机,但从三代改进型开始战斗机的体积和起飞重量都在不断增加,曾经按照轻巧灵活要求设计的F-16现在已经成为了中型战斗机,本来就是重型机的F-15和苏-27系列更是表现出越来越重的发展趋势。F-22和俄罗斯的苏-47、米格1.44都是典型的重型战斗机,单发布局的F-35在尺寸和重量标准上比双发的F/A-18C/D还要大,这是因为考虑到战斗机隐身气动和结构与内部弹舱的应用,必然导致飞机的内部容积和机体截面尺寸较大。四代机的整体要求已经使轻型战斗机完全失去了存在的基础,甚至中型战斗机的尺寸规格也难以全面满足四代机的设计要求。三代机的跨代大改需要采取的技术方式与四代机的区别并不算大,类似F-16和“幻影”2000这样规格的机型缺乏足够的改造潜力,基础设计上对各方面问题的协调和效费比难以满足实际上的需要,想要获得必要的性能所需要的改造范围也比较大。中型以上规格的三代双发战斗机虽然基础成本投入较大,但是在气动布局改进设计和内部弹舱位置安排上比较容易解决,本身规格较大的特点也容易满足综合战斗力提高的要求。歼-10和歼-11在结构和气动上所达到的技术标准基本相当,两型飞机的后期改进型的技术发展途径也大体相同,作为典型三代机的歼-10和歼-11都具备作为四代基础的潜力,但是在现有条件下必须确定一个条件最好的型号进行重点投入。歼-10和歼-11条件上的主要差异就是机体的规格等级不同,单发的歼-10和双发的歼-11采用的是推力等级相同的动力装置,歼-11的体积、重量大于歼-10但最大起飞重量和载荷航程也远大于歼-10,在机体内部可以提供的有效空间上也有明显的优势。 歼-10是采用国内比较先进技术和气动布局的中型多用途战斗机,歼-10在应用技术方面与基本型歼-11相当并在部分技术上还有优势,但是歼-10设计的时候并没有在气动和结构上考虑隐身问题,基本结构和翼面位置在进行低信号特征改进上存在很大的难度。歼-10现有的结构和气动条件几乎无法通过改进满足隐身性能要求,针对机身前向采用的DSI进气道和吸波涂料等措施,最多只能将飞机正面雷达反射面积降低到1平方米左右,但外挂载荷和挂架的存在必然增强雷达反射面积,想要增设内部弹舱却要面对机体内部空间不足的问题。内部弹舱是战斗机实现全面隐身设计所必须考虑到的问题,弹舱的存在也对飞机的结构设计有很高的要求。隐身战斗机的内部弹舱位置受武器载荷使用和维护要求限制,正常情况下弹舱开口要设置在机身下或侧下方,弹舱内载荷在出舱(弹射或伸出)时必须有±30度的无遮挡空间,这样才能够保证内部弹舱在使用武器时的有效性和武器载荷的通用性,现有隐身飞机的弹舱设计和位置都可以体现这一特点。歼-10目前采用的单发窄机体和下置机翼布局很难进行改动,机体外部增加保形包裹或增设内部弹舱对飞机性能影响很大。歼-10进行宽机体大空间的改进设计可以满足四代机的结构要求,但采用宽机体以安排内部弹舱必然增加飞机对动力装置的技术要求,大推力和高推重比的先进航空发动机是四代机飞行性能的基础,国内恰恰缺乏类似F-35使用的F135这样标准的大推力发动机。歼-10如果在改造中由内部弹舱(或外部保形包裹)加装2中2近共4枚空空导弹,飞机机身的截面和结构重量至少需要增加30%和15%,要保持飞行性能就需要将发动机的推力和推比提高20%,这样等级的动力技术要求对现在中国的航发工业是个难题,歼-10的内部载油量也难以装载足够全程作战的燃料。 歼-10大改如果继续采用单发布局则难以解决动力装置上的困难,如果要在现有条件下满足飞机性能和动力要求只能改用双发布局,采用两台中等推力发动机的总推力增加量来补偿改进带来的影响,在理论上应该是在解决问题时可以选择的方法。网络上曾经广泛传言歼-10有采用两台中等推力发动机的双发大改方案,成都飞机设计所确实也曾经考虑过隐身的双发鸭式布局方案,但这样的大范围改动对发展过渡性四代机来说并无实际价值。歼-10如果采用双发动力保证加宽机身截面积后的飞机整体动力性能,并且将翼面位置提高到机身中段以留出机身下部开敞空间,结合飞机隐身外形和材料后可以获得比较好的整体隐身效果,但这样大幅度的结构和气动改进范围与全新研制几乎没有任何区别,投入的资金和技术力量完全失去了过渡装备的效费比要求。按照中国战斗机发展的趋势和更新换代的过程看起来价值不高,反到容易因为力量分散导致新研项目的资源被过渡项目浪费。 歼-10和歼-11都可以作为改进为四代机所依托的基础平台,但是从这两个型号的各方面性能和结构特点对比,体积较大的歼-11相比歼-10在改进设计上所体现的优点较多,国外类似机型的改进趋势也证明飞机体积越大存在的技术难度就越小。歼-11的体积和重量在同时期三代重型战斗机中都处于比较高的水平,较大的机体尺寸和内部载油提供了很大的改进潜力,歼-11已经开始系列化发展成性能出色的多功能战斗机。歼-11现在的结构和气动水平相比歼-10并没有什么特殊的优点,但是因为歼-11的尺寸和体积远比歼-10大的多,较大的体积也在结构上留出比较充分的改进和完善的条件,尤其是改进中对飞机主要结构不需要大调整的优点比较突出,改进歼-11的效果未必超过歼-10改双发方案却在成本上更加具有吸引力。考虑到歼-10在改进中需要为解决空间小和载荷低的问题进行较大的改动,歼-11这种重型战斗机在改装设计上存在的问题相对比较容易解决。 歼-11作为四代平台的基础条件和改进方式 歼-11的基础设计并没有考虑到雷达隐身技术要求和内部弹舱的设置问题,全面修改歼-11的设计来解决这两方面问题的修改幅度太大,想要在满足提高作战性能需要的同时控制成本和结构更改幅度,只能抓住歼-11结构设计上几个重点进行有针对性的改进研究,利用歼-11的基本结构和航空兵部队预想的不同作战环境要求,根据不同的性能标准选择不同的改进措施来构成等级不同的四代机方案。 歼-11改进为四代机必须首先解决原始设计上两个主要的结构缺陷,一个就是飞机巨大的机头对整体布局造成的影响,另外就是直通式进气道使发动机风扇叶片直接暴露产生的强反射。机头的问题可以通过采用主动相控雷达后对机头尺寸和结构的休整解决。中国四代机可以肯定将采用固定天线的主动相控阵多功能机载雷达,相控阵天线的外形可以按照前机身的截面尺寸制造,因为天线不需要进行旋转也就没必要设置大尺寸的天线罩,现有歼-11长度和直径都很大的雷达天线罩可以用较短的天线罩取代。改进过程中可以将歼-11原本在中央翼前方整个机头部分取消,然后采用类似F-22机头结构和外形的部件替代被取消的机体,F-22雷达罩到座舱后的机头段几乎不需要对尺寸和结构大改。参考F-22机头的外形设计后对尺寸进行适当的调整,按照歼-11边条翼的位置调整菱形机头两侧的折线位置后,就可以比较容易的安装到歼-11原本与机头连接的壁板位置上。这样的改进可以降低机头部分的结构重量、表面积和长度,在不对机体进行大的改动的前提下就可以改善飞机的结构比例,也不需要再采用歼-11原有那种首端大角度下倾的机头设计,对飞行控制和机动性能都可以带来比较明显的积极影响,即使发动机的推力没有大的提高也可以有效改善飞行性能,应用在各改进方案上都可以实现较好的隐身和超音速巡航性能。缩小机头后对整机重量配置的变化还可以取消歼-11发动机之间的尾锥,通过降低重量平衡要求并将腹下弹舱流行形延伸到尾后,类似米格-29或F-14的尾部设计就可以取代原尾锥的减阻效果,通过取消尾锥可以明显降低结构重量并且实现发动机的全向矢量。歼-11改进中可以采用与F-15SE类似的外倾角11~17度的新型垂尾,外倾垂尾控制效率虽略低于垂直的翼面却有利于飞机的隐身性能,保持稳定性和气动控制力矩也可以通过增大安定面和舵面来解决。歼-11翼面上可动部分与固定翼之间可以采用特殊的纤维材料进行连接,这样就可以在翼面前、后缘运动时因为间隙暴露导致的雷达强反射效果,结合在机身和翼面上广泛应用吸波涂料和结构还可以进一步降低正面雷达反射面积。 歼-11进气道改进中解决发动机叶片雷达反射的设计方法是个比较大的难点,最好的方法自然是采用类似F-22那样的S形进气道结构,利用进气道喉管的曲折遮蔽发动机风扇叶片的雷达反射信号,但采用S形进气道显然需要对歼-11的结构进行大幅度的修改。歼-11为了防止在场地条件不好的跑道上起降时异物吸入打坏发动机,在进气道前部设置有筛网结构的防异物屏蔽板,防异物屏蔽板时对进气的影响只是削弱发动机推力范围只有2~3%。歼-11的常规防异物屏蔽板在飞机起飞离地后就收起帖到到进气道内壁,如果采用类似F117隔栅式进气道隐身屏蔽的结构改进防异物屏蔽板,那么常规的防异物屏蔽板就可以满足异物隔离和进气道遮蔽的双重作用,起飞后不收起屏蔽板就能够在进气道正面对发动机进行遮挡,通过遮蔽所起到的发动机隐身效果与采用S形进气道并没有明显的差别。歼-11进气道在采用雷达屏蔽装置后就不需要改变结构和位置,这样就能够保持歼-11中段机身和发动机舱的结构不变,可以在歼-11四代改进的所有方案甚至现役各型歼-11上普遍采用。屏蔽板对发动机推力造成的影响一方面可以通过提高发动机推力进行部分解决,另外也可以根据隐身要求适度调整板上隔栅孔的尺寸进行缓解,因为雷达隐身标准的隔栅孔在尺寸上要比防沙尘异物大的多。进气道屏蔽板主要是在超视距空战或突防过程中降低飞机的雷达反射强度,当进入对隐身效果要求低的近距离空战时可以收回屏蔽板,通过改善发动机进气条件来提高飞机的动力性能和机动能力,较好的兼顾歼-11四代隐身改进型在超视距空战和近距格斗时的不同需要。 歼-11隐身改进必选内容是菱形机头、取消尾锥、进气道遮蔽、外倾垂尾和隐身涂料/结构,在这些必然选择之外还可以根据要求采用内部弹舱和修改翼面等升级措施,依靠积木式的组合来形成不同技术水平和战斗力标准的技术改进组合。 歼-11要实现部分具备四代机标准的性能就必须对平台进行大幅度改进,如果采用尽量少调整气动布局和外形的低修改量措施,需要对飞机外表进行局部修整和增加隐身涂料、结构的应用,争取将飞机无外挂的正面雷达反射面积降低到1~2平方米的标准。机载对地攻击武器主要使用防区外发射的精确制导弹药,空战武器则利用包裹、半埋或涂吸波涂料来降低信号特征,在作战中尽可能利用电子干扰手段掩蔽来削弱自身信号的危险性。这样相对简单的改进措施对结构和气动的修改幅度很小,新机与现有歼-11结构设计标准化程度高也有利于生产线和航材的延续,但是在战斗力上受到的影响较大且隐身和超巡能力存在缺陷,技术标准只略好于F-15SE、EF2000、苏-35BM和“阵风”这些机型,平台性能条件与对抗F-22或F-35的要求之间存在明显差距,但在综合战斗力上应该可以压倒国外三代半或三代的后期改进型。 中等改进幅度则是利用歼-11进气道间被机头遮蔽的低压低阻区,增加可拆卸半埋式武器舱实现主要机载作战武器的内置安装,按照尺寸计算在进气道下弹舱中可以安装4枚PL-12导弹。机体和翼面设计上可以增加中央翼宽度来扩大机身承力部分的间距,加宽中央翼后主起落架可以采用类似JAS-39NG的方式外移,在翼根增加的空间里安装采用斜向推出挂架的格斗弹舱,理论上能够在主起落架前后串列装载4枚格斗/中距弹,依靠内部弹舱装载的空-空弹总数可以接近F-22的标准,但体积大的对地攻击武器还需要依靠机身和机翼的外挂架来挂载。中等改进幅度方案的对空作战能力可以相当于F-35的条件,不过在对地攻击突防性能上还无法与全面隐身的四代机相比,仍然需要通过采用防区外制导武器进行对地/海目标的攻击。高端的改进措施则可以称为脱胎换骨式的大规模结构改进,大范围改进可以尽可能利用歼-11的机体主要承力部分的结构,将进气道改为外倾的CARET结构并适度降低机翼的位置,将缩短的菱形机头局部下移到进气道之间的位置形成两侧肋下进气,被机头遮挡的进气道间自然形成固定内部弹舱的空间,在进气道外倾部分的上侧起落架前方安装格斗弹的弹舱,水平翼面按照降低雷达反射强度要求采用前后缘角度统一的隐身翼形。大幅度修改的歼-11在中央翼承力结构和后机身基本可以保持原有设计,但前机身和进气道的位置和整体布局上则类似日本的“心神”方案。高端改进后的歼-11前机身可以被看成是“山寨”F-22后的成果,差别只是采用直通进气道来降低中、后机身的修改量,可以满足过渡阶段的装备需要并作为新研四代的后备方案。 中国航空兵现在的三代机装备规模不大恰恰有利于新技术的应用,因为中国航空兵没有西方国家航空兵那么大的现役装备造成的包袱,利用新技术改造的三代机基本上都需要进行全新生产,这样就可以彻底抛弃现有飞机在技术和设计上存在的固有的限制,对新技术的应用和新结构、材料的选择上要更加灵活和方便。没有大量现役装备牵制的中国航空兵可以自由的利用先进技术,让三代机改进型的性能和结构尽可能接近四代标准,改进型虽然要受到基础设计、材料、动力等方面的产生的影响,但放开手脚进行改造设计的新机要比F-15SE有更为宽松的环境,设计人员的自主性和技术应用的扩展性也有利于提高产品的性能。中国用四代机技术改造(不是改装)三代机的更改是应用在飞机进入生产线之前,完全可以在设计上就对飞机的气动和结构进行最有效率的改进,通过调整飞机本身的总体布局方案和气动上的针对性改进,最大限度的发挥四代机技术在成熟平台上可能取得的实际成果。利用四代机的技术改造三代机的效果一方面是满足过渡阶段的装备需要,另外一方面则可以用成熟的方案作为新机的备份,四代新研项目一旦受到不确定因素影响到研制和交付的节点,航空兵部队也不至于因为新机项目拖期出现无机可用的困难局面。利用三代大改为基础发展的四代战斗机所采用的技术大都比较成熟,在研制过程中可直接进入原型机的发展阶段,过渡项目虽然在基础指标和应用技术上不如全新研制机型,但是成熟可靠的设计标准却有利于在尽可能短的时间里出成果,利用争取到的时间为全新研制的新型四代机提供缓冲和准备。 |
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