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海上雄鹰-浅析歼-20隐身前掠翼舰载战斗机   

2013-08-04 22:21:38|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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海上雄鹰-浅析歼-20隐身前掠翼舰载战斗机 - 小飞猪 - 小飞猪的博客  

网友绘制的歼-20前掠翼隐身舰载战斗机的想像图

 

不久前,网上出现有可能是我国未来舰载机的草图,这个飞机最令人注目的是它居然采用了前掠翼,引起各方面的关注。

笔者觉得这个草图表明我国有可能在新一代舰载机方案之中考虑过前掠翼方案,至于最终是否能够采用,笔者持保留态度,实际上对于我国来说,可能下一代舰载机可能还是常规布局比较保险一点。

所谓前掠翼是相对后掠翼而言的一种翼型,其梢弦在根弦的前面,左右翼俯视投影形成一个V字。前掠翼是和后掠翼同时提出的,两者推迟激波产生的原理是完全相同,由于前掠翼上的展向流动指向翼根,大迎角飞行时气流首先从机翼根部分离,从根本上克服了翼尖失速问题,因而低速性能好,可用升力大,机翼的气动效率高。

前掠翼的优点主要集中在以下几个方面:

结构优势。前掠翼结构可以保障机翼与机身之间更好地连接,并且合理地分 配机翼和前起落翼所承受的压力。这些优势用其它方法很难达到或者不可能达到,它大大提高了飞机在机动时、尤其是在低速机动时的气动性能。此外,前掠翼的结构设计,还可使飞机的内容积增大,为设置内部武器舱创造了条件,同时也大大提高了飞机的隐身性能。

  机动优势。前掠翼技术可使飞机在亚音速飞行时具有非常好的气动性能,从而大大提高其在仰角状态下的机动性。若前掠翼布局与推力矢量控制系统综合使用,还可使其在空战中更具优势,其近距空战机动能力将成倍地提高。

  起降优势。与相同翼面积的后掠翼飞机相比,前掠翼飞机的升力更大,载重量增加30%,因而可缩小飞机机翼,降低飞机的迎面阻力和飞机结构重量;减少飞机配平阻力,加大飞机的亚音速航程;改善飞机低速操纵性能,缩短起飞着陆滑跑距离。据美国专家计算,F-16战斗机若使用前掠翼结构,可提高转变角速度 14%,提高作战半径34%,并将起飞着陆距离缩短35%。

  可控优势。使用前掠翼结构可以提高飞机低速度飞行时的可控性,并能在所有飞行状态下提高空气动力效能,降低失速速度,保证飞机不易进入螺旋,从而使飞机的安全可靠性大大提高。

但是前掠翼的也有自己的缺点,其中最大的就是前面说过的离散效应,导致机翼需要较大的强度,结构重量增加,抵消了增加升力带来的优点,另外翼根过早失速,对于飞机大迎角性能会产生不利的影响,所以前掠翼尽管优点较多,但是缺点也十分明显,所以一直没有进入实用。

前掠机翼技术是在第二次世界大战时纳粹德国的发展的,并首次在汉斯?沃克领导设计的Ju-287轰炸机上使用,Ju-287在最初设计时采用的是后掠翼,但由于后掠翼使飞机在低速飞行时的稳定性较差,这必然会影响轰炸机的投弹精度。综合考虑的结果,最终选择了前掠翼。但前掠翼产生弯曲变形时会使外翼迎角增大,从而使外翼升力增大,造成机翼弯曲变形加剧,在一定(临界)速度下,这种现象会形成恶性循环,直到使机翼折断。为了提高临界速度,需要付出增加结构重量等代价。所以,前掠翼虽和后掠翼同时提出,却很少被采用。二战之后,美苏都曾利用缴获的德国前掠翼资料进行研究,美国提出过XB-53前掠翼轰炸机方案,它的机翼前掠30度,装备在机身后部,载弹5450公斤,但是因为气动弹性发散的问题而放弃,与此同时前苏联也开始了前掠翼的研究,但是因为同样的问题而下马。

进入70年代,对前掠翼的研究有了突破性的进展,那就是复合材料的运用,在一定程度上解决了气动弹性发散问题,复合材料的面板铺层厚度和纤维方向可以任意变化,因此能够复合材料机翼的刚度和扭转变形,由于复合材料较轻,付出的重量代价较小,举一个例子,采用金属结构的时候,前掠翼的前掠角度从17.5度增加35度的时候,它的结果重量会从250公斤左右增加以1500公斤,这个幅度对于战斗机来说几乎是不可能接受的,而利用复合材料的时候,增加同样的角度,它的结构重量只从140公斤增加到150公斤,这对于轻型战斗机来说都是不困难的。所以复合材料机翼的运用为前掠翼走向实用打下了基础。

1984年12月14日美国X-29A前掠翼验证机首次升空。它采用采用全动式鸭翼、前掠机翼、后机身边条布局,机翼内半翼后掠,外半翼前掠,两半翼交汇处的不利气流由鸭翼产生的脱体涡卷走,使机翼有较好的升力特性,但是因为它并没有完全解决飞机的气动发散问题,所以最终X-29A的技术并没有在新一代战斗机上得到运用,1997年俄罗斯首次公开展示S-37前掠翼试验飞机,采用三翼面、双垂尾、前后全动式操纵面的气动布局和推力矢量控制技术,机体广泛采用了复合材料,具有良好的超音速巡肮、超机动性和隐身能力。影响S-37独特的前掠翼设计给人留下很深刻的印象,但是它同样没有解决前掠翼存在的气动发散问题,因此俄罗斯新一代前线歼击机-T-50仍旧采用了常规布局设计。

我国从上世纪80年代也开展了前掠翼的探索,西北工业大学等单位对当时流行的前掠翼-鸭翼结构进行了吹风,着重研究鸭翼产生的脱体涡对前掠翼翼根的有利干扰等问题,以解决其翼根过早失速的问题,与此同时其他单位也对前掠翼-鸭翼气动布局的隐身特点进行了测试,得到一定的成果。

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 网上出现的歼-20前掠翼方案

 

那么歼-20改用前掠翼有什么好处,前面说过前掠翼与后掠翼飞机相比,它的重量较轻,升阻比更大,配平阻力更小,失速特性较低,基本上不进入尾旋,着陆速度较低,内部布置灵活等,具体而言,就是前掠翼布局的飞机比常规布局的飞机转弯速度可以提高14%,活动半径可以增加34%,起降时间可缩知35%,重量减少5%-25%,成本可以降低40-60%.

     我们知道舰载战斗机相对于岸基战斗机一个重要的区别就是前者的空重较大,这是因为舰载战斗机的起降距离较短,需要在短时间内加速到起飞速度或者拦阻着舰,这样飞机会受到较大的法向过载和冲击,象舰载机弹射末端的速度可以达到300公里/小时,纵向过载峰值达到5G,而舰载机降落的时候,下沉速度高达6米/秒,是岸基标准的2倍左右,这样强大的瞬间载荷会产巨大的冲击力,因此需要对飞机相关结构进行加强,包括起落架、拦阻钩、相关的机身结构等,举一个例子,F/A-18舰载型前起落架重量超过280公斤,而岸基型的前起落架只有80公斤左右,两者相差接近4倍,以阵风战斗机为例,它的舰载型取消了机身中线前面的挂架,稍稍加长了机身、增加了着舰拦阻钩,增加了前起落架的高度和强度,整体重量由岸基型的9060公斤,增加到9670公斤,增加幅度为大约7%左右,而苏-33由于加大了机翼面积、增加了前翼,加强了起落架,它的空重增加了12%,使用空重接近18吨。歼-20作为一种大型作战飞机,如果改装舰载机的话,那么肯定也需要对相关结构进行加强,它的重量增加幅度可能未必赶得上苏-33,但可能不会低于阵风M。

     飞机重量增加会带来一系列的问题,包括推重比下降,翼荷增加,载油系数下降等等,这样飞机的加速度、航程、爬升等性能都会下降,飞行包线变窄,整体战术技术指标随之下降,这样就需要增加发动机的推力来平衡,但是如果改装前掠翼的话,根据前面的介绍,它的空重比常规布局飞机要低,所以这个减少的幅度正好可以抵消改装舰载机增加的重量,这样就可以保持飞机的推重比不会下降太多。保证飞机的飞行性能。

     还有一点比较重要就是前掠翼飞机的着陆速度较低,我们知道舰载着舰是非常困难,因此舰载机的的着舰速度不能太高,以方便飞行员能够精确的控制飞行,前掠翼飞机的重量较低,所以着舰速度较低,而着舰速度越小,对于机体结构的冲击就较小,有利于减少着舰距离,增加着舰的安全,这对于舰载战斗机来说是非常重要的。

     另外前掠翼布局还可以降低飞机的采购成本,由于舰载机比岸基飞机复杂,所以它的造价和成本比后者要高的多,前掠翼飞机恰好可以弥补这个缺点,另外它的作战半径大,能够长时间在航母编队的边缘巡逻,能够挂载武器攻击更远的地方,可以提高航母编队所能覆盖的范围,从而提高航母编队的作战能力。

     不过从整体上来讲,飞机气动布局采用什么样的机翼和何种气动布局形式,不但要比较战术和技术指标,还要看到技术难度、风险、成本和经济性,把这个因素综合起来考虑,而不仅仅单纯对过一两项气动特性就得到结果的。


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参考资料:1

1、战斗机气动布局设计

2、本文配图来源于网上,权利归原作者所有

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