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侧卫绝唱——新苏-35
2016-12-27 22:06:00           作者:候知健

(原标题:侧卫绝唱——新苏-35)

  本文转载自空军之翼网,作者:候知健

  导语:苏联80年代以倾国之力打造的苏-27展示了强悍无匹的工程能力,又集中暴露了工业体系短板。由此带给苏-27的缺陷,历经30多年艰难发展后终于在新35上弥合。

  一:工业体系的先天不足

  朝鲜战争后,飞机设计越来越复杂,对于计算能力的需求出现了指数性增长;自身定位也从一种机械装备逐步向电子/机械装备演变,机载电子设备越来越多,作用越来越重要。但苏联由于精密机械加工、精密化工方面的落后及严重的路线错误,使其电子工业非常落后。一方面严重匮乏大规模、超大规模计算能力,另一方面电子电气产品性能受到严重制约。

  归功于固体晶体管和大规模集成电路,F-15的APG-63雷达不仅性能优秀,重量也仅有250公斤。苏联的真空电子管电路大、重、脆弱,电源利用效率低下,设计中存在大量笨重的高压电路。苏-27战斗机的N001雷达不得不采用更大的发射功率、更大的天线尺寸,才有可能获得接近APG-63雷达的性能。这意味着更庞大的部件体积,更强的冷却系统和电源供应系统。

侧卫绝唱——新苏-35

  归功于固体晶体管和大规模集成电路,F-15的APG-63雷达不仅性能优秀,重量也仅有250公斤

  最终N001雷达性能仍然大幅落后对手,但重量达到550公斤,如果计入后端的散热和电源部分等全套系统,全重接近980公斤。就像A-10的7管30毫米机炮一样,苏-27的设计也是围绕着蠢重的雷达系统展开:整个前机身从雷达整流罩起到第18号隔框,除了飞行员、弹射座椅和前起落架,座舱前方、下方、后方的三个设备舱里都被电子设备塞满。从根源上说,苏-27家族的几个重要缺陷都是由苏联电子工业水平而起,并决定了未来的发展路线。

侧卫绝唱——新苏-35

  最终N001雷达性能仍然大幅落后对手,但重量达到550公斤,如果计入后端的散热和电源部分等全套系统,全重接近980公斤

侧卫绝唱——新苏-35

  苏-27的设计也是围绕着蠢重的雷达系统展开:整个前机身从雷达整流罩起到第18号隔框,除了飞行员、弹射座椅和前起落架,座舱前方、下方、后方的三个设备舱里都被电子设备塞满

  二:苏-27的起步

  越战的空战经验对此后战斗机发展影响极为深远。米格-21低目标特征与中高空超声速掠袭战术的结合使美国人吃尽苦头,最后催生出强调隐身、超声速巡航标准的四代机。而防空导弹的普及迫使战斗机不得不进行大量的中低空战斗,但电子工业水平的时代局限使当时战斗机的进攻手段操作复杂,武器发射条件严苛,攻击效率低下。

  因为空战中在中低空亚声速下近距离内进行反复的追逐、缠斗、咬尾成为最普遍的交战方式,早期三代机特别强调攻击方切入敌方的后半球、稳定跟上敌方的动作而不被甩开的能力。苏联中央流体空气动力研究院在米格-21后继路线的规划中,明确强调了高速飞行与亚声速持续机动性能的要求;否定了持续机动性不佳的无尾三角翼布局,确立了中等后掠角和中等展弦比机翼的常规布局路线,随后又引入了涡流升力和扁平机身设计。米格-29和苏-27都是该系列研究的工程成果。

侧卫绝唱——新苏-35

  T-10

  苏-27最初的T-10验证机比米格-29要原始很多,比如同属传统的静稳定布局设计,但其S型前缘机翼没有前缘增升措施。这个构型在1978年试飞后被证明性能很不理想,中央流体院向苏霍伊设计局建议,采用带翼根边条和前缘机动襟翼的梯形机翼。此后在双方合作下,又引入静不稳定、电传等先进设计,全新设计布局的原型机被命名为T-10S,并发展成为今天的苏-27。(注:苏-27历史非常复杂,中央流体院、苏霍伊、新西伯利亚航空研究院等各执一词。苏霍伊声称T-10原始设计就是静不稳定的,只是雷达超重数百公斤使其无法实现)

侧卫绝唱——新苏-35

  此后在双方合作下,又引入静不稳定、电传等先进设计,全新设计布局的原型机被命名为T-10S,并发展成为今天的苏-27

  苏-27的扁平机身可以看作是一个整体的中央机翼,与采用后掠翼设计的带边条外翼形成了良好融合。在静不稳定状态下,除了机头、垂尾和吊挂的发动机吊舱,整个苏-27就是一个巨大的机翼组合体。这种升力体设计极大的提升了整机的气动效率。

侧卫绝唱——新苏-35

  除了机头、垂尾和吊挂的发动机吊舱,整个苏-27就是一个巨大的机翼组合体

  后掠翼设计使得机翼兼顾了较大的前缘后掠角度和展弦比,同时保证了高速飞行时的低阻力和亚声速下的良好机动性和巡航效率。翼根处锐利狭长的边条,从很小的迎角就开始拉出边条涡流,为机翼提供额外的大量升力;而且涡流破碎很晚,控制特性也相对较好。

  良好的气动与两台高推力的AL-31F发动机,使苏-27在飞行性能上基本成功的达到设计目标。和F-15相比,苏-27的加速、爬升性能相当,盘旋性能有一定超出,航程、尤其是大挂载下的航程则远远超过。

  三:苏-27的不足

  航空电子设备的性能落后是电子工业落后的最直观表现,但飞机更换航电永远是最简单的改进。直接关系到机体平台基础设计的飞行控制系统、结构设计,要实现突破性改进就困难的多。

  静稳定布局的T-10采用的还是机械飞控。但涡流升力随着迎角变化而猛烈增加、减小的非线性特征,与后掠翼在接近失速迎角时产生强烈上仰趋势的特性相结合,使T-10系列在试飞中出现了无法挽回的俯仰失控并坠毁。新布局的T-10S进行了针对性的的电传化改进:负责俯仰控制的平尾采用了模拟电传系统,但襟副翼、方向舵仍然通过机械飞控控制。

  这种半吊子电传在滚转时协调襟副翼和平尾动作需要相当复杂的机械结构,增重不小。从本质上看,苏-27的电传还是机械飞控设计的延续,性能和功能非常有限,而且对将来的进一步扩展(例如飞控火控综合)没有留下余地。

  苏-27的气动布局结构特性非常差,随着尺寸的加大要获得满意的强度、刚度性能,难度和代价都远高于其它战斗机。为了塞下雷达系统,苏-27的翼展达到14.7米,完全超出了苏联70年代末的工业能力极限。这使苏-27结构长期在在减重与补强之间反复,尽管耗费了难以计数的资源,空中解体事故却在研制中从未杜绝过。批生产以后的苏-27仍然因为结构强度不足,在低空高速飞行中连接出现过空中解体事故。

  结构窘境不仅仅体现在强度和2000小时短暂寿命上。电子工业和精密化工的落后使苏联缺乏大规模计算能力和合格的高性能纤维,空有丰富的气动弹性相关经验和理论探索,但却没有能力在机翼结构上实践气动弹性剪裁设计。对于本身就强度刚度低、抗弯扭能力差的后掠翼,苏-27只能采用一些简陋的气动弹性处理手段,舍弃性能以保证结构安全。例如在大过载盘旋下,机翼外侧翘曲弯扭以后会形成特定的气动外形,自动削弱相当一部分升力,减轻机翼根部的弯扭载荷。

侧卫绝唱——新苏-35

  在大过载盘旋下,机翼外侧翘曲弯扭以后会形成特定的气动外形,自动削弱相当一部分升力,减轻机翼根部的弯扭载荷

  操纵效率受刚度影响最大的副翼,苏-27处理的更加勉强:理论上效率最高的机翼外侧完全无法利用,只能放弃原T-10的副翼、偏转襟翼组合,在机翼内侧设计了一套二者合一的襟副翼。加上发动机宽间距布置本身就使转动惯量相当大,这使苏-27的滚转在三代机中属于垫底水平。

侧卫绝唱——新苏-35

  操纵效率受刚度影响最大的副翼,苏-27处理的更加勉强:理论上效率最高的机翼外侧完全无法利用,只能放弃原T-10的副翼、偏转襟翼组合,在机翼内侧设计了一套二者合一的襟副翼

  四:苏-27家族的三翼面时代

  苏霍伊针对苏-27的缺陷,很早就安排了多个不同方向并进的规划;形成了T-10S、T-10M、T-10K、T-10U、T-10IB五个主线的验证、原型机系列,总数达到数十架。算进衍生的支线,T系列机型谱系的分支超过15条。在艰难的俄罗斯时代苏霍伊也未曾放弃这些改进工作,并且最终集大成于新苏-35。

  撤销火控系统总师B·K·戈里申的职务并未解决问题,雷达超重使苏-27的重心过于靠前,绝大多数时候它仍然是静稳定的,性能不能达到设计标准。为了改善机动能力,尤其是低速操纵响应能力,苏霍伊首先在后继多用途型号上采用了三翼面布局,飞行控制系统也为此改进成完整的电传系统。随后舰载机上T12的常规路线也被放弃,诞生了T-10K系列。

侧卫绝唱——新苏-35

  三翼面苏-27改型的平尾差动

  鸭翼使气动中心大幅前移,形成静不稳定的状态,并大幅加强了飞机的俯仰控制能力。在大过载盘旋减速从超声速进入亚声速时,气动中心的剧烈移动会引起飞机的自动上仰,边条后掠翼的组合对此尤其敏感。苏-27限制了跨声速区域的最大过载,以免出现大过载下失控的灾难性局面,而鸭翼强大的低头控制能力则完全克服了这一障碍。平尾在俯仰控制上的负担减轻以后,也可以进行更大角度的不对称偏转——这对于改善苏-27的滚转很有好处。

  降落时每秒允许的高度降低不超过3米的飞机,怎么能满足舰载机每秒高度降低7米或者是携带重型弹药降落的要求?外挂重量仅与FC-1这样的轻型飞机相当,怎么发展与吨位相称的多用途攻击能力?苏-27家族的结构改进其实进行的更早,除了苏-33的折叠机翼和新苏-35,所有型号在中后机身和机翼的外形上都没有变化,但内部结构却在多个发展分支中进行着不同方向的渐进修改,并彼此交叉产生各种各样的组合。

侧卫绝唱——新苏-35

  苏-27家族的结构改进其实进行的更早,除了苏-33的折叠机翼和新苏-35,所有型号在中后机身和机翼的外形上都没有变化,但内部结构却在多个发展分支中进行着不同方向的渐进修改,并彼此交叉产生各种各样的组合

  三翼面和第一轮结构强化改进的成果汇聚成了苏-33和苏-27M(老苏-35,M代表多用途)的机体平台。苏-35这个编号代表“完全多用途能力”,但第一代产品结局凄凉。俄罗斯引进了大量西方技术、成品设备以提升航电水平,但苏-27M因为时间太早性能改进有限,大量设备、功能和性能指标都处于未完成的验证甚至是纸面阶段。尽管在航展上出尽了风头,这款验证机色彩浓厚的型号却从未成功外销过,就连印度人都没上当。

侧卫绝唱——新苏-35

  苏-27M因为时间太早性能改进有限,大量设备、功能和性能指标都处于未完成的验证甚至是纸面阶段

  五:回归常规布局

  20多年以后,苏霍伊推出了第二代苏-35——苏-27BM(B代表改进型);不仅回归了常规布局,还进一步放大了机头和翼展。前者是为解决三翼面布局的缺陷,后者主要是为了增强作战性能。

  到苏-34为止,苏-27家族完成了2轮以上的结构强化。期间的型号经验积累,西方设计手段、标准引入,材料工艺体系、尤其是大型钛合金件加工能力的重大突破,都给了苏霍伊极大的信心。全新结构的苏-27BM成为了第一款超过14.7米翼展限制(15.3米)的苏-27改型;不仅拥有三个2吨级挂点、8吨总重的外挂能力,而且实现了西方标准的6000小时寿命。

侧卫绝唱——新苏-35

  全新结构的苏-27BM成为了第一款超过14.7米翼展限制(15.3米)的苏-27改型;不仅拥有三个2吨级挂点、8吨总重的外挂能力,而且实现了西方标准的6000小时寿命

  放大尺寸吨位使苏-27BM可以使用更大更重的雷达而不影响静不稳定;矢量推力提供了有效的额外低头控制能力。优点被取代后,三翼面布局的缺陷暴露无遗:气动上形成更大的浸润面积、亚声速配平损失、超声速干扰阻力,结构上大幅增加重量。为此苏-27M航程从3900公里降低到3200公里,苏-33降低到3000公里,但苏-27BM的实践成功证明了该方案的优越性:气动和机内容积利用效率的提高使这个重的多的型号拥有3600公里航程。

  飞控上苏-27BM也表现上佳。背部减速板的取消意味着它的襟副翼、平尾等控制面能够实现非常复杂的自动配合,加上整合的矢量推力控制,苏-27BM机动性增强的同时对于飞行员的技能和经验要求反而宽松的多。最重要的是这套先进的飞行控制系统已经与航电系统形成了完备的高度综合,整机的自动化程度和反应速度提升极大。

侧卫绝唱——新苏-35

  飞控上苏-27BM也表现上佳。背部减速板的取消意味着它的襟副翼、平尾等控制面能够实现非常复杂的自动配合

  苏-27BM在性能上已经非常完善,对于10-20年内需要大幅强化空中力量的国家颇具魅力。苏-27BM对于我国虽然在航电上没有吸引力,但机体平台上近30年的差距仍可能促成了它数量可观的第一批外销订单。我国对苏-27家族接近20年的国产化改进尝试和自研四代机的特殊背景,又为苏-27BM提供了价值难以估量的信用担保。但全球经济的低迷使得很多国家丧失

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