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歼20侧面隐身为何比F22更好 只因F22不敢用全动垂尾
2017-10-30 7:38:00           作者: 综合

  图:歼20采用全动垂尾,总面积明显小于F22

  图:F22的垂尾面积非常大,阻力和重量、对侧面的信号反射都比歼20要大

  在遵循相同的电磁学隐身设计原则的基础上,歼20和F22都在正面范围内,避免了雷达天线、座舱、进气道等大多数强信号散射源形成的强暴露特征;而在弱散射源的细节设计上各有优劣,其总信号特征处于同一个级别。

  而在侧向和后向上,情况又有不同:后向由于发动机本身没有隐身设计、也无法进行良好的喷口隐身化处理,歼20和F22差距极大,可以说没有可比性。

  而侧向由于歼20采用了总面积小得多的全动垂尾,因此虽然存在腹鳍这个F22所没有的构件,但是总信号强度特征依然与F22处于相同的级别并且要更低一些。俄罗斯T50虽然也采用了全动垂尾,但是该机的后机身发动机舱段根本没有做任何隐身化处理,其性能和F22、歼20完全不可相提并论。

  图:F15侧面反射面积巨大,机翼/机身,水平/垂直尾翼等平面以直角相交是核心因素之一

  在战斗机上,由于机长大于翼展、特别是侧向常常存在大量直角相交、形成强烈角反射器效应的结构外形;战斗机在侧向的雷达反射信号是非常强烈的,远远大于正向的特征。比如F15在入射波长λ=5cm的情况下,90±5度范围内的雷达反射面积达到400平方米。

  图:B2取消了垂尾

  因此对于隐身机来说,必须取消垂直尾翼,或者至少采用倾斜垂尾、并尽可能缩小其面积的设计。而对于现在的战斗机设计技术来说,完全取消垂尾,将会导致飞机的操纵能力无法满足高机动飞行要求,是无法接受的。

  缩小垂尾面积的好处是显而易见的,重量和阻力都会随之减小——特别是持续超声速飞行阻力。但对于歼20和F22这样的五代机来说,它们都要求非常高的大迎角飞行控制能力——这通常需要更大的垂尾面积才能实现。

  在大迎角的飞行状态下,五代机会相对迎面的气流,处于高高翘起的飞行姿态;而且会从机头的棱边、进气道的边沿以及鸭翼/边条上,撕裂迎面气流形成笼罩整个飞机上表面的巨大强烈漩涡。

  图:F22高机动飞行,垂尾被笼罩在漩涡中

  图:注意垂尾卷入涡流中

  在这种情况下,更大面积、更坚固结构的垂尾设计——比如F22那种传统的垂直安定面+方向舵设计;通常来说,更容易获得设计上的成功。更大的面积,使得垂尾即使是因为处于机身背风区域的乱流和漩涡中,气动效率显著降低时,依然能提供足够的稳定作用和操纵能力。

  图:注意F18垂尾避开边条漩涡核心区域,这是多次修改后的设计

  而在大过载或者极速飞行时,垂尾上会遭受非常强烈的压力和剧烈的震动;结构不够坚固,强度和刚度不足,或者是气动弹性设计与全机不匹配,都会引发灾难性的解体和失控。特别是在瑞典JA37为代表,现代战斗机广泛引入涡流增升技术以后,高速漩涡气流对垂尾的冲击破坏更是非常普遍而棘手的问题。

  图:YF-23设计不太看重机动性,涡流增升幅度远不如歼20强烈,垂尾设计难度要低很多

  图:YF-23全动垂尾偏转

  歼20的垂尾由于整个气动面都是可以偏转的,因此它可以用更小的总面积,就取得比F22垂尾更高的控制效率。但是作为代价,歼20这一设计的风险,无论是飞行控制,还是结构安全上的风险,也都远远高于F22——飞机的气动弹性设计只要稍微犯一点错误,那么试飞过程中很可能飞行员连挽救飞机的机会都没有。

  对于高风险、高收益的极端化设计,唯一的评判逻辑就是看最终结果,这是非常成王败寇的事情:失败了,那当然就是设计师狂妄盲目,脱离实际;成功了,那就是设计师能力卓著,决断过人。

  而歼20的试飞结果大获成功:安全无恙的完成了高低空最大速度、最大持续过载盘旋等各种极限指标的指标试飞并投入批产。

  就F22来说,如果DSI进气道的相关气动理论和计算模型能够在80年代初中期就成熟的话,该机绝对会采用DSI进气设计。这是源于时代的局限性,而非能力或者魄力上的问题。

  图:F117

  图:洛克希德在F22之前研制的F117,采用全动垂尾

  和DSI进气道不同,全动垂尾是一种很早就出现的技术——当然在F117等飞机上使用时,由于机动性和飞行速度要求低,它的设计难度也低很多。F22在充分权衡技术风险和性能指标以后,放弃了这一设计。

  相较于F22,歼20的垂尾设计注定要付出更高的技术风险代价、更大的设计和制造成本;那么在它成功以后,获得更为出色的预期性能,也就是理所当然的事情了。(作者署名:候知健)

责任编辑: 蔚 蓝 文章来源:
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