中国歼20隐形战斗机

中国歼-20隐形战斗机成飞研制的中国第五代隐身重型歼击机，采用双发、DSI两侧进气、全动垂尾的鸭式布局。于2009年底开始滑跑试验。加拿大汉和防务评论网站2011年1月5日登载短消息称，汉和记者确认2011年1月5日下午北京时间2：00开始，歼-20(J-20)隐身战斗机在成都某机场进行了第二次滑跑试验。这是首个西方媒体在第一线确认歼-20的存在。平可夫表示：滑跑试验是成功的，试飞已经进入倒数计时。2011年1月11日，J-20在成都实现首飞，历时18分钟，标准着我国隐形战斗机的研制工作掀开了新的一页。战机简介歼-20，空军代号“鲲鹏”,因为该机将担负我军未来对空，对海的主权维护,北约代号为“FireTooth”(火焰牙）。由中国成都飞机设计研究所设计、中国成都飞机工业公司制造的用于接替歼-10、歼-11等第三代空中优势/多用途歼击机的未来重型歼击机型号，即按中国和西方标准的“第四代歼击机/战斗机”(注：西方和俄罗斯对战机代数划分标准不统一，以F-22为例，西方称之为四代机，俄罗斯则称之为五代机)，其目的是适合中国空军2020年以后的作战环境需要。由于美国已经在2005年将战斗机划代标准由原先的四代划分法改为五代划分法、即与俄罗斯现行标准相同，加之中国在2009年之后的对外宣传中将“歼-10改”定位为新的“第四代歼击机”，所以歼-20在未来的正式报道中亦有很大可能被称为“第五代歼击机”。该飞机开始时使用AL31F发动机，在1月6日又改用“涡扇10B”发动机，就是国产新一代太行发动机的改型。在未装备“涡扇15”之前，尚不具备超音速巡航能力，准确划分应该是4.5代战斗机。2011年1月11日首飞东方网1月11日消息：据成都网友目击，中国歼20隐形战斗机已于2011年1月11日中午12时50分左右在四川成都进行首次升空飞行测试，起飞时发动机未开加力，滑行约200米左右升空，在13时08分成功着地。整个首飞过程是在歼10S战斗教练机陪伴下完成的，历时大约18分钟，取得成功。在歼-20成功完成首飞落地后，试飞现场内外欢呼声一片，机场外的围观群众也接连放起鞭炮。中国国防部外事办公室副主任关友飞11日晚在回答有关歼20战斗机试飞问题时表示，中国发展武器装备不针对任何国家和特定目标。从时间上看，没有任何针对性，是正常的工作安排。关友飞强调，中国永远不称霸，不搞军事扩张和军备竞赛，不会对任何国家构成军事威胁气动布局鸭式对于超巡十分有利，对于超机动也同样有利。无尾三角翼有利于实现面积律，这是人们早已熟知的。另一方面，由于隐身的需要，机翼后缘不应该是平直的，机翼后缘都带有前掠可以在相同翼展情况下增加翼面积，降低翼载，并增加翼根长度，改善翼根受力情况，但这使得翼根后缘十分靠后，常规平尾的位置很难安排，F-22和T-50都只得在机翼后缘斜切一角，才能挤进平尾。由于平尾和重心的距离很近，力臂较短，只有用较大的平尾面积才能管用。T-50的平尾面积缩小，但如果力臂可以拉长的话，本来可以进一步缩小的。但采用鸭式布局的话，鸭翼在机翼前方，不和后延的翼根冲突，比较好解决。四代的鸭翼相对主翼的位置比歼-10进一步靠前，增大了力臂，增强了效用，所以较小的鸭翼就可以达到很大的作用。四代这样的远距耦合鸭翼的优点早已为人们所熟知，但为什么在战斗机上只有欧洲“台风”才使用呢？因为鸭翼可以有两个作用：配平和涡升力。远距耦合鸭翼有利于配平，但不利于产生涡升力。配平力矩强有利于加速改变机头指向，涡升力强有利于稳定盘旋，两者各有各的用处，但通过鸭翼的位置很难兼顾两者要求。另一方面就是飞行员的视界，远距耦合鸭翼常常遮挡了飞行员侧下方的视界，十分不利于空战格斗，欧洲“台风”就有这个问题。但四代的长度很长，鸭翼在飞行员肩膀后的进气口上唇，对空战视界的影响很小，因为鸭翼下的视野早已被机翼挡住了，即使不安装鸭翼，那片视野也同样看不到。根据测算，四代的机身长度达到21.30米，比F-22的18.92米和T-50的20.40米都要长，和米格1.44的21.60米差不多。四代的进气口在机身两侧，机体本身较宽大，而机尾喷口是紧密并排的，所以可以肯定四代的进气道有相当程度的弯曲。加上DSI的有限遮挡，发动机正面不暴露在直射雷达之下是可以肯定的。四代机身为什么那么长现在还不清楚，有几个猜想：1、机内武器舱布置的需要2、进气道设计需要3、翼面积和远距耦合鸭翼的需要现在还不清楚四代的机内武器舱的大小和分布，但有了那么长达的机体，机内武器舱的空间应该比较充裕。F-22也是弯曲进气道，但F-22的总长要短很多，这可能是因为美国的进气道设计水平和发动机长度的关系，也可能是F-22采用固定进气道，而四代采用可调进气道。四代采用了DSI（无附面层隔板超音速进气），用三维复杂曲面的凸曲面（鼓包状，用于压缩气流）把进气中的附面层迎面剖开，然后用压力梯度顶到进气口的两角泄放。不过四代的DSI有三个特别的地方，一是不对称，凸曲面的位置偏上，而不像常规DSI的对称设计，这可能是照片不清晰造成的错觉；二是进气口侧唇口带有后掠，这是世界上已知DSI中绝无仅有的；三是四代的进气口是可调的，这也是第五代战斗机中唯一采用可调进气口的。成飞一定是世界上DSI经验最丰富的飞机公司了，一口气设计了三架DSI战斗机：枭龙04、歼-10B、四代。相比之下，洛克希德-马丁只有F-35，研究机不能算。成飞在四代上采用这样特别的DSI，是有道理的。进气口设计需要做3件事情：1、分离附面层，保证干净气流进入进气道2、在大迎角下也保证正常进气3、在超音速飞行时把进气气流减速到亚音速，并增加压力，也就是所谓的总压恢复。四代DSI恰好在这三个方面都用最小的折衷做到了。DSI本来就是用来分离附面层的，DSI的附面层分离效果好，阻力小，总压恢复好，但DSI只能对一个有限的速度范围优化，很难做到对很大的速度范围都高度有效。另外，DSI的凸曲面设计本来就相当复杂，需要考虑三维流场和压力分布。为了隐身，四代的机头是菱形截面，进气口是像V形一样向两侧倾斜，在大迎角下流场更加复杂。为了改善大迎角下进气口对空气的“捕捉”效果，进气口像F-15一样带一点后掠。为了不给DSI设计带来太大的困扰，后掠没有F-15那么大。但V形机头下半部的前机身预压缩能力不足了进气口后掠不足的缺憾。另外，正因为进气口后掠，下唇位置靠后，所以凸曲面位置偏上，和凸曲面剖开造成两撇“胡须”的下一半的位置正好对上。四代之前，所有隐身战斗机都采用固定进气口。固定进气口结构简单，没有可动部件，雷达反射特征小。从F-22开始，固定进气口几乎成为隐身战斗机的固有特征，F-35、T-50都是固定进气口。但固定进气口只能对较小的马赫数范围优化，F-16采用固定进气口之后，尽管推重比F-104增加了40%，但最大速度相当，部分原因就是因为F-16的固定进气口是为跨音速格斗而不是最高速度而优化的，而F-104的进气口是可以通过半锥可调，所以在更大速度范围内保持最优。在超音速飞行时，进气口的唇口也造成激波，激波的锋面好比气帘，气流通过激波锋面的时候得到减速。可调进气口可以在不同速度下有效地控制激波的形状和位置，使气流达到发动机正面的时候为最优速度、最高压力。不可调进气口只能在设计速度做到这一点，在其他速度下，要么气流速度依然过高，发动机前面几级压缩机非但起不到压缩机的作用，反而变成风车，使气流减速到亚音速；或者速度过低，大大增加压缩机的负担。F-22采用加莱特进气口，也称双斜切双压缩面进气口，或者斜切菱形进气口，不同的说法，都是一个意思。这个设计比DSI超音速性能好，适应的速度范围更大，但毕竟还是固定进气口，最终逃不过固定进气口的限制。好在F-22有两台变态的发动机，超音速巡航没有问题。T-50的超音速巡航性能现在不清楚，T-50的进气口和F-22有所不同，但原理大致相似。F-35采用DSI，只有一台发动机，尽管推力变态，还是力不从心，最高速度只有M1.6，超巡就免提了。四代要做到超巡，但中国没有F-22这样变态的发动机，只有用可调进气口来帮忙，达到足够的超巡性能。四代的进气口上唇可以下垂，像F-15一样，这就是可调进气口。和F-15不同的是，F-15的可调进气口是暴露在外的，而四代的可调进气口是包拢在进气口结构内的。四代这样做当然是出于隐身的考虑，但可能造成进气口唇口较厚、阻力增加的问题。工程设计本来就是得失权衡的过程，只要最终结果得大于失，这就是值得的。不过四代的进气口上唇下垂如何避免和DSI的鼓包打架，这还是一个有趣的问题，有待更多的细节图片才能解惑。活动上唇和固定外壳之间不可避免的间隙里，如何避免杂物和尘土嵌进去，造成可调上唇动作受阻，这也是一个具体的工程问题。四代的进气口可算是DSI、加莱特和F-15那样的可调锲形的结合体，这也给了四代正面大青蛙一样的特征。有的示意图上，四代的鸭翼是箭形的，但从正面照片来看，鸭翼是梯形的。按照尽量减少边缘角度的edgealighnment原则，机翼形状应该和鸭翼一致，机翼、鸭翼前后缘对齐。如果最后证明鸭翼不是梯形而是箭形的，那也无妨，鸭翼和机翼的前后缘不一定需要左面对左面，左面对右面也是可以的。机翼采用M形或W形虽然也符合edgealighnment原则，但增加了内角和凸角，增加后向雷达反射特征，能避免最好避免，只有在前掠后缘导致翼根长于机体长度的时候才不得已而为之。双垂尾的形状估计了鸭翼一致，有利于边缘对齐。垂尾翼尖斜切一刀，估计机翼、鸭翼也有同样角度的斜切一刀。米格战斗机的垂尾经常有这么一刀，F-15的翼尖也是这个样子，这是为了躲开翼尖涡流造成的额外阻力。四代的鸭翼是全动的，四代的双垂尾也是全动的。已知战斗机中，只有T-50是全动垂尾，F-22和F-35都是常规的固定垂尾加可动舵面。全动垂尾和全动平尾一样，都是飞控要求和水平提高的结果。传统的横向稳定的飞机设计中，后机身的水平方向投影面积应该大于前机身，这样飞机就像风向标一样，在横向是自然稳定的。后机身是指整机重心以后的部分。现代战斗机的发动机占了飞机重量的不小的一部分，飞机重心越来越靠后，所以机翼也靠后，造成F-18这样机头像仙鹤一样长长地伸在前面的样子。但这样，后机身的投影面积就越来越依靠垂尾，一个垂尾不够，有时还需两个垂尾。双垂尾还有额外的好处，可以把舵面差动动作（也就是同时向外，或者同时向里），充当减速板使用。像F-18那样的外倾双垂尾的舵面差动动作的话，还可以产生额外的压尾力矩，帮助飞机及早抬头，缩短起飞距离。外倾的双垂尾还有降低侧面雷达反射面积的的好处。对于远处照射过来的雷达，入射角基本上可以等同于水平入射，直立的垂尾像镜子一样反射，外倾的垂尾就明显降低了雷达反射特征。不过外倾的双垂尾在飞控上比较别扭，不光产生偏航力矩，还产生滚转力矩，要达到飞行员的无忧虑操作，需要较高的飞控水平。四代比这还进了一步，采用了全动垂尾。全动垂尾变被动的自然稳定为用主动控制达到方向稳定，好处是可以用较小的垂尾，重量和阻力都较小，雷达反射面积也小，坏处是对飞控要求进一步提高。四代采用这样极端的技术，说明了成飞对先进飞控的信心。但四代飞控之变态不在于此，而在于可动边条。在众多侧视图中，不大为人注意的是鸭翼和机翼之间的边条，有一条清晰可见的缝线，这只能是可动边条。四代的远距耦合鸭翼注重配平作用，有助于敏捷的机头指向，但对于稳定盘旋所需要的涡升力没有太大的帮助。欧洲“台风”在鸭翼和机翼之间增设了一对小小的扰流片，用于产生涡升力。四代大大地进了一步，鸭翼和机翼之间的边条是可动的。由于和机翼在同一水平面上的缘故，四代的鸭翼略带上反。一般说上反翼增强横滚的稳定性，用于自然稳定性不足的下单翼。四代鸭翼相当于上单翼，上单翼用上反十分罕见，对敏捷性是负面影响，但鸭翼面积太小，这点影响可以忽略不计。但鸭翼略带上反，减少对边条的遮挡，可以增强边条的作用。四代的边条是小小的，比较狭窄，毕竟在鸭翼后面，太宽大了没用。但这不等于边条就无所作为，尤其是边条可以可控下垂。可动边条可以强化涡升力，并且可以控制涡流走向。米格-29K也采用了类似的技术，不完全一