前掠翼歼-20——无聊的臆想?

来源:百度文库 编辑:超级军网 时间:2024/04/27 13:54:46
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导语:网络上流传的一份内部论文截图中,出现了采用前掠翼设计的歼-20舰载机修改方案,但从整体设计角度来说,这种改进方案不切实际。






高山CG作品:歼-20前掠翼舰载型
一、前掠翼的历史和重大缺陷

  在上世纪40年代喷气式发动机投入使用以后,飞机的速度开始向高亚声速接近。此时机翼上表面的加速气流会形成局部超声速,带来的激波和激波诱导的附面层分离,会使飞行阻力急剧增大,导致飞行速度无法进一步提升。为了解决这个问题,飞机设计师开始使用斜掠机翼以推迟激波的产生。

斜掠翼减小激波阻力
当时人们对斜掠机翼的了解有限,认为前掠翼和后掠翼在性能上并没有什么差别。在这种前提下,德国Ju 287轰炸机采取了前掠翼设计:在减低高速飞行阻力的同时,利用前掠翼的翼根靠后的特性,使机翼大梁的承力结构在较后方处通过机身,解放飞机重心附近的机身空间作为挂载重型炸弹的弹舱。这样可以使投弹前后的重心变化最小,获得最好的飞机操纵控制性能。


早期的前掠飞机
Ju 287研制时正值1944年,连高速试飞都没有机会完成,这使它的致命设计缺陷没有得以及时暴露:气动弹性发散使前掠翼飞机根本不能进行高速飞行。由于前掠翼的翼尖在机翼根部的前方,在气动载荷的作用下,翼尖相对翼根产生的扭转变形会使翼尖的局部迎角加大,而迎角加大又引起气动载荷进一步增加,陷入恶性循环并最终引起机翼破坏、解体,导致无法挽回的坠毁事故。


气动弹性发散的过程
前掠翼气动弹性发散的出现时机,又和速度与前掠的角度息息相关。为了提高飞行速度,前掠翼必须加大前掠角度以减低阻力;但随着前掠角加大,气动弹性发散速度也迅速随之降低——当机翼的前掠角度从0度增加到28度时,机翼出现气动弹性发散的速度下降90%!为了克服气动弹性发散,要么减小前掠角;要么在结构上加强,进一步提升机翼的刚度和强度性能。

  以一架轻型战斗机的铝合金机翼为例,当它的前掠角从14.5度增大到27度和35度时,为了保证结构安全,机翼重量要从255公斤增加到716公斤和1589公斤。这意味着对于传统金属结构的机翼来说,前掠翼又陷入了另一个在不可接受的阻力和不可接受的重量之间挣扎的恶性循环,完全失去了实用价值。

  前掠翼虽然成为了世界上最早采用的斜掠机翼设计,但其地位立刻就被后掠翼所取代直至今天。但在70年代末期以后,高性能复合材料和先进鸭式布局的出现,曾经给过前掠翼起死回生的可能性,使其一度成为研究的热点。

X-29前掠翼验证机大迎角飞行测试
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高山CG作品:歼-20前掠翼舰载型
一、前掠翼的历史和重大缺陷

  在上世纪40年代喷气式发动机投入使用以后,飞机的速度开始向高亚声速接近。此时机翼上表面的加速气流会形成局部超声速,带来的激波和激波诱导的附面层分离,会使飞行阻力急剧增大,导致飞行速度无法进一步提升。为了解决这个问题,飞机设计师开始使用斜掠机翼以推迟激波的产生。

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斜掠翼减小激波阻力
当时人们对斜掠机翼的了解有限,认为前掠翼和后掠翼在性能上并没有什么差别。在这种前提下,德国Ju 287轰炸机采取了前掠翼设计:在减低高速飞行阻力的同时,利用前掠翼的翼根靠后的特性,使机翼大梁的承力结构在较后方处通过机身,解放飞机重心附近的机身空间作为挂载重型炸弹的弹舱。这样可以使投弹前后的重心变化最小,获得最好的飞机操纵控制性能。

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早期的前掠飞机
Ju 287研制时正值1944年,连高速试飞都没有机会完成,这使它的致命设计缺陷没有得以及时暴露:气动弹性发散使前掠翼飞机根本不能进行高速飞行。由于前掠翼的翼尖在机翼根部的前方,在气动载荷的作用下,翼尖相对翼根产生的扭转变形会使翼尖的局部迎角加大,而迎角加大又引起气动载荷进一步增加,陷入恶性循环并最终引起机翼破坏、解体,导致无法挽回的坠毁事故。

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气动弹性发散的过程
前掠翼气动弹性发散的出现时机,又和速度与前掠的角度息息相关。为了提高飞行速度,前掠翼必须加大前掠角度以减低阻力;但随着前掠角加大,气动弹性发散速度也迅速随之降低——当机翼的前掠角度从0度增加到28度时,机翼出现气动弹性发散的速度下降90%!为了克服气动弹性发散,要么减小前掠角;要么在结构上加强,进一步提升机翼的刚度和强度性能。

  以一架轻型战斗机的铝合金机翼为例,当它的前掠角从14.5度增大到27度和35度时,为了保证结构安全,机翼重量要从255公斤增加到716公斤和1589公斤。这意味着对于传统金属结构的机翼来说,前掠翼又陷入了另一个在不可接受的阻力和不可接受的重量之间挣扎的恶性循环,完全失去了实用价值。

  前掠翼虽然成为了世界上最早采用的斜掠机翼设计,但其地位立刻就被后掠翼所取代直至今天。但在70年代末期以后,高性能复合材料和先进鸭式布局的出现,曾经给过前掠翼起死回生的可能性,使其一度成为研究的热点。

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X-29前掠翼验证机大迎角飞行测试
2014-4-19 08:30 上传


眼镜蛇机动,在特定条件下诱发俯仰力矩上仰并且返回正常飞行姿态
大迎角控制能力差的另一个后果是,苏-27在马赫数达到M0.85时,其可用最大过载迅速由9G下降至6.5G,可用迎角也大幅减小。这是由于战斗机的大过载机动必然会引起飞行速度的大幅降低,而战斗机从超声速进入亚声速时,升力中心的大幅度前移又会使迎角和过载都突然增大;苏霍伊不得不采取了保护性的设计,限制苏-27在跨超声速范围内的性能以避免灾难性的失控和结构破坏。

  后掠翼的滚转能力差则同时受到气动和结构两方面的因素影响。从气动上说,由于后掠翼在大迎角下气流首先从翼梢开始分离,因此副翼的效率会随着迎角的增大而降低,直到丧失控制能力。另一方面,滚转时副翼在气动弹性效应下发生的气动扭转,正好与机动所需要的控制力方向相反;所以副翼操纵效率随刚度降低而降低,随速压(与速度的平方值成正比)升高而降低。这足以使刚度特性差、抗扭转能力弱的后掠翼在高速时将滚转控制能力丧失殆尽。最终苏-27的副翼不得不放弃了效率最高的机翼外侧,再加上它的宽间距发动机吊舱设计本身就使得飞机的转动惯量严重偏大,这让苏-27的滚转性能在三代机中属于垫底水平。
2014-4-19 08:33 上传


S-37的实际试飞结果该机在取得预期优势性能的方面获得了成功。S-37不仅克服了苏-27在大迎角性能和敏捷性上的弱点,拥有出色的带迎角带过载滚转能力;而且由于前掠翼相比比三角翼在性能上的升阻比优势,亚、跨声速范围内的持续机动能力和航程性能更是远超传统的鸭式三代机,非常优秀。可以这样说,如果S-37在超声速性能上也能够表现良好,达到接近传统鸭式三代机水平的话,它代表的前掠翼鸭式布局设计就是三代机的完美选择。
2014-4-19 08:36 上传


S-37机翼的前掠角度只有20度。虽然从气动上说,由于气流流向的原因,前掠翼的真实斜掠角度要比后掠翼更大一些,但这种优势远远没有大到能抵消20多度差距的程度——高机动飞机采用的中等后掠机翼,一般角度在42度左右。苏霍伊的设计人员当然明白增大前掠角度能够有效的减小超声速飞行阻力,但他们不能那样做——增大前掠角度只会急剧的降低前掠翼的气动发散速度,性能损失远远超过巨大的气动阻力。

  在涉及高速性能的几个要素中,在机翼而具备了较大的阻力特性而且不能改变的情况下,剩下的改善途径就只有减小机翼面积和加大推重比了。从S-37的设计来看,设计师打算牺牲一部分盘旋性能和最大载荷起飞能力,通过采用较小面积的机翼,以获得较轻的结构重量和高的推重比来减少高速性能的损失,但结果仍然是无济于事。

  S-37失败的原因,表面上看是超声速阻力的失控,本质上是以现有的技术能力仍然不足以支持前掠翼实用化,包括材料和工艺水平,以及对前掠翼气动弹性规律的认识水平。除了高速性能之外,前掠翼还存在着隐身方面的严重缺陷——它的两个内角会形成强烈的电磁信号反射特征,而且无法消除。最终苏霍伊在下一代战斗机上彻底放弃了前掠翼设计。

  S-37实际上反映了苏联在对于战斗机系统发展理解水平上的巨大差距。在苏-27刚刚准备量产的1982年,美国就正式提出下一代战斗机4S的招标概念:隐身性、高度机动性和敏捷性、不开加力实现超声速巡航、一体化的先进航空电子技术,具有飞越包括第三世界战区在内的所有战区的能力。而直到90年代,俄罗斯人的大脑仍然没有舍得跳出苏-27的荣光,还在试图打造最强三代机。
2014-4-19 08:37 上传


应用直角反射原理设计的角反射器,仅用很小体积就能获得巨大的雷达反射特征
现阶段歼-20虽然隐身设计还没有测试、优化完成,但已经表露出相当强悍的能力;在试飞中地面雷达对于歼-20的跟踪观测很不可靠,往往需要飞机伴飞指引方位。然而一旦采用这种BH方案的机翼,歼-20的正面雷达反射特征就会迅速激增到非隐身飞机级别。

结语

  没有制空权就没有制海权。在可以预见的未来内,我国必须竭尽全力将所有的的航母全部投入到与美国航母群对抗中,才能完成彻底阻绝美国舰载航空兵远程干涉、打击我国东南沿海地区的任务。在这种能力实现之日,我国才真正具备了打破战时岛链封锁、武力统一台湾的基础可能性。

  针对美国海军在可见未来内都没有机会获得具备超巡能力的真正四代机的装备空白期;发展重型航母,搭载具备超巡能力、内置隐身反舰导弹的重型四代舰载机,这是我国未来在海洋军事对抗中形成、占据局部优势的唯一选择。
最后一句很同意:
  针对美国海军在可见未来内都没有机会获得具备超巡能力的真正四代机的装备空白期;发展重型航母,搭载具备超巡能力、内置隐身反舰导弹的重型四代舰载机,这是我国未来在海洋军事对抗中形成、占据局部优势的唯一选择。
美国与苏俄都只是把前掠翼作为验证技术而已
有些东西是你不知道的,有些东西你永远不知道。
库兹涅佐夫上将 发表于 2014-4-19 09:21
最后一句很同意:
  针对美国海军在可见未来内都没有机会获得具备超巡能力的真正四代机的装备空白期;发展重型航母,搭载具备超巡能力、内置隐身反舰导弹的重型四代舰载机,这是我国未来在海洋军事对抗中形成、占据局部优势的唯一选择。 ...

要真正实现这个目标,就必须搞出电磁弹射器,否则上重型舰载机就是空谈
库兹涅佐夫上将 发表于 2014-4-19 09:21
最后一句很同意:
  针对美国海军在可见未来内都没有机会获得具备超巡能力的真正四代机的装备空白期;发 ...
can't agree any more
疯狗陈的文章,历来颇有看点
既然飞机是弹性体就避免不了气动发散的问题,关键是什么程度内能够接受
不是说3代机里面su27激动性能最好吗?听楼主一介绍好像su27在大迎角状态下机动性反而是最差的?
这是金雕改?
高山老大随便玩玩,不用这么认真吧。
现有的四代战斗机,既不是后掠翼也不会是前掠翼,都是梯形翼或者菱形翼。
小赵_先生 发表于 2014-4-19 10:12
不是说3代机里面su27激动性能最好吗?听楼主一介绍好像su27在大迎角状态下机动性反而是最差的?
1、虽然眼镜蛇机动能达到很大的迎角,但并不可控,且会损失大量能量。

2、苏霍伊的宽大升力体宽间距发动机吊舱设计能够达到很高的升阻比,在涉及升力方面的指标(如稳定盘旋、爬升率、航程。。。)上都相当出色(这点有些像二战的日本零式),但这是以牺牲敏捷性(横滚角速度、瞬盘)为代价的。
库兹涅佐夫上将 发表于 2014-4-19 09:21
最后一句很同意:
  针对美国海军在可见未来内都没有机会获得具备超巡能力的真正四代机的装备空白期;发 ...
想内置大号的反舰导弹,还是用专门的隐攻靠谱
superwxw 发表于 2014-4-19 11:50
1、虽然眼镜蛇机动能达到很大的迎角,但并不可控,且会损失大量能量。

2、苏霍伊的宽大升力体宽间距发 ...
那su27凭借什么优势压倒F15?F15的升力不如su27,大迎角机动也不如su27?
小赵_先生 发表于 2014-4-19 12:57
那su27凭借什么优势压倒F15?F15的升力不如su27,大迎角机动也不如su27?
27压制15不会是做梦吧?就那庞大脆弱的身板和可怜的推比还是一边玩去吧
小赵_先生 发表于 2014-4-19 12:57
那su27凭借什么优势压倒F15?F15的升力不如su27,大迎角机动也不如su27?
SU27从诞生到改进到35,从来也没获取过对于F15的优势……
aokelan 发表于 2014-4-19 08:38
五、歼-20舰载机前掠翼方案
根据论文自述,该方案的主要意图是以高速性能的损失为代价,改善歼-20的外挂性 ...
针对美国海军在可见未来内都没有机会获得具备超巡能力的真正四代机的装备空白期;发展重型航母,搭载具备超巡能力、内置隐身反舰导弹的重型四代舰载机,这是我国未来在海洋军事对抗中形成、占据局部优势的唯一选择

所言极是!
小赵_先生 发表于 2014-4-19 10:12
不是说3代机里面su27激动性能最好吗?听楼主一介绍好像su27在大迎角状态下机动性反而是最差的?
苏27本来了可控迎角就不大于26度。

普加乔夫眼镜蛇机动本质上是不可控的大迎角自动恢复动作。
那篇论文的题目叫啥?
小赵_先生 发表于 2014-4-19 12:57
那su27凭借什么优势压倒F15?F15的升力不如su27,大迎角机动也不如su27?
压倒一词并不一定严密,不同性能侧重的飞机用不同的战术,比如当年零式对P40就是玩水平盘旋,而P40则是以一击脱离为主,27和15在格斗时也会采取类似的方式,各自选用自己的长处迎敌,这一点可以参考NAAS《云端上的击剑术》。
渣贴
典型的渣贴
谢谢楼主好文
20前掠翼那个对比图就说明这论文作者是个S B了,折叠位置居然在那么靠近翼根的地方,是想用多NB的动作和折叠机构达到4个茧包含挂架近3吨的挂载能力的?
这新鲜玩意放在10号身上不是更合适么
歼20那CG是W型翼,和传统前掠翼两码事。
aokelan 发表于 2014-4-19 08:38
五、歼-20舰载机前掠翼方案
根据论文自述,该方案的主要意图是以高速性能的损失为代价,改善歼-20的外挂性 ...
拜托  翼根的90°角  应该是可优化的,例如可以优化为75°之类。你调整、增大内侧襟翼段的后掠角就行了。不能那个因为画图画得像是90°就一棒子打死。


前掠翼更重要的是优化各线平行的问题。
所说的苏37   应该是苏47金雕才对吧
那是W翼型,不是纯粹的前掠翼
楼主能细讲下为什么苏27跨音速限制过载么?纯粹是因为迎角的问题么?我硬是要9个过载会怎么样?再说苏27不是电传的飞机么?自动限制迎角不就行了?
能超巡当然很好,但是要付出航程、内油以及其他结构方面的代价。在舰载的约束下实际可能是没法实现的。其实F-35的隐身要是我们下功夫的话超过并不是不可能,比起走超巡的路子可能更好
走召大 发表于 2014-4-19 11:03
高山老大随便玩玩,不用这么认真吧。
就是啊,这都可以当成论文发表了吧