向气动极限冲刺——美国第四代战斗机空气动力学领域的早 ...

2012-2-19 18:39 上传

MD的这些技术验证机全他额娘的天顶星

      短距起降的 F-15S/MTD

　　20 世纪 70 年代，美国和苏联都通过超音速轰炸机和中程弹道导弹来制约双方在欧洲的前线机场，加上以色列在中东战争中与通过轰炸将敌方空军消灭在机场的经验，使得世界各国空军开始质疑战斗机对跑道的依赖程度。因此美国空军再次将亚声速格斗、超音速拦截和短距起降列为未来战斗机的三大主要性能指标，而美国空军也在“先进战斗机综合”计划书的一开始，就将短距离起降技术与其他空战技术一起进行研究。

　　麦克唐纳•道格拉斯公司于 1984 年得到空军的订单，开始短距离起降战斗机的研究，他们将普惠公司的多用途喷口与通用电气公司的综合发动机控制系统安装在了一架 F-15B 双座战斗机上，进行短距离起降与提升机动性的研究，这项试验计划命名为 F-15S/MTD（短距起降/机动性能技术验证机）。

      当时 NASA 对于矢量推进技术的研究主要集中在了非轴对称的圆形喷口上。其主要原因是双发动机配置的圆形喷口，由于缝隙干扰的流场会产生额外的阻力，而方形喷口则不会诱发类似的阻力。而且方形喷口的外形接近后机身的箱形截面，因此在喷口向下时可以融成统一个升力面以较低的阻力产生额外的升力，而从圆形喷口喷出的气流虽然可以诱导外围气流产生升力，但喷口本身却会产生较多阻力。

　　一般对方形喷口的质疑的主要方面在于，发动机从方形截面的角落削减尾喷口的能量，但美国在 20 世纪 70 年代的研究结果显示，其对于尾喷口能量削减微乎其微，几乎可以忽略不计。而影响比较大的是尾喷口的冷却气流，不同的设计有不同的结果，通常在军用推力的情况下会有一些损失，但其后燃推力反而变大。总而言之，方形喷口在双发战斗机上所产生的推力在马赫数 1.6 以下会比圆型喷口要大。
       普惠公司采用二维收敛-扩张（2D-CD）喷口，与 ADEN 喷口不同的是，它的上下可动面是相同的，因此该喷口的驱动面较多。但是 2D-CD 喷口的四片可动面同时具有喷口面积控制、俯仰矢量与反推三大功能，而不像 ADEN 喷口需要额外加装反推装置。另外，2D-CD 喷口的上下角度相同，可以提供均衡的俯仰/滚转控制，而不像 ADEN 喷口会有俯角大于仰角的情况发生。
     为了避免飞行员控制的复杂性。S/MTD 计划书也将原有的模拟增益系统换成四余度电传操作系统。其软件是由“先进战斗机综合”计划书中的 F-15IFFC“综合飞控/推进能力”系统，以及发动机数字化控制系统发展而来，其目的是将矢量喷口视为气动控制面的一个重要环节，可以控制飞机的俯仰角与滚转，甚至可以用两喷口开合大小的不同得到推力差以此来控制偏航。

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      短距起降的 F-15S/MTD

　　20 世纪 70 年代，美国和苏联都通过超音速轰炸机和中程弹道导弹来制约双方在欧洲的前线机场，加上以色列在中东战争中与通过轰炸将敌方空军消灭在机场的经验，使得世界各国空军开始质疑战斗机对跑道的依赖程度。因此美国空军再次将亚声速格斗、超音速拦截和短距起降列为未来战斗机的三大主要性能指标，而美国空军也在“先进战斗机综合”计划书的一开始，就将短距离起降技术与其他空战技术一起进行研究。

　　麦克唐纳•道格拉斯公司于 1984 年得到空军的订单，开始短距离起降战斗机的研究，他们将普惠公司的多用途喷口与通用电气公司的综合发动机控制系统安装在了一架 F-15B 双座战斗机上，进行短距离起降与提升机动性的研究，这项试验计划命名为 F-15S/MTD（短距起降/机动性能技术验证机）。

      当时 NASA 对于矢量推进技术的研究主要集中在了非轴对称的圆形喷口上。其主要原因是双发动机配置的圆形喷口，由于缝隙干扰的流场会产生额外的阻力，而方形喷口则不会诱发类似的阻力。而且方形喷口的外形接近后机身的箱形截面，因此在喷口向下时可以融成统一个升力面以较低的阻力产生额外的升力，而从圆形喷口喷出的气流虽然可以诱导外围气流产生升力，但喷口本身却会产生较多阻力。

　　一般对方形喷口的质疑的主要方面在于，发动机从方形截面的角落削减尾喷口的能量，但美国在 20 世纪 70 年代的研究结果显示，其对于尾喷口能量削减微乎其微，几乎可以忽略不计。而影响比较大的是尾喷口的冷却气流，不同的设计有不同的结果，通常在军用推力的情况下会有一些损失，但其后燃推力反而变大。总而言之，方形喷口在双发战斗机上所产生的推力在马赫数 1.6 以下会比圆型喷口要大。
       普惠公司采用二维收敛-扩张（2D-CD）喷口，与 ADEN 喷口不同的是，它的上下可动面是相同的，因此该喷口的驱动面较多。但是 2D-CD 喷口的四片可动面同时具有喷口面积控制、俯仰矢量与反推三大功能，而不像 ADEN 喷口需要额外加装反推装置。另外，2D-CD 喷口的上下角度相同，可以提供均衡的俯仰/滚转控制，而不像 ADEN 喷口会有俯角大于仰角的情况发生。
     为了避免飞行员控制的复杂性。S/MTD 计划书也将原有的模拟增益系统换成四余度电传操作系统。其软件是由“先进战斗机综合”计划书中的 F-15IFFC“综合飞控/推进能力”系统，以及发动机数字化控制系统发展而来，其目的是将矢量喷口视为气动控制面的一个重要环节，可以控制飞机的俯仰角与滚转，甚至可以用两喷口开合大小的不同得到推力差以此来控制偏航。

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2012-2-19 18:53 上传

怎么很多图片传不上去啊。怎么回事啊？？？

2012-2-19 18:56 上传

F-5E，注意翼根前缘已经具有小边条

2012-2-19 18:58 上传

在机头边条和矢量推力的作用下，HARV 可达到 70 度的最大稳定飞行迎角

2012-2-19 19:02 上传

BAe 的 ACA 全尺寸模型

2012-2-19 19:03 上传

X-31 无尾大攻角着陆想象图，事实上 X-31 从未拆除过垂尾，在如此攻角下，以及飞控软件的帮助下，X-31 的小垂尾基本无用处

　　如果说当年 HIMAT 是约翰的终极梦想，则 X-31 可以说是赫伯斯特理想的实现。其机翼负荷基本保持在每平方米 310 千克，也就是赫伯斯特认为的战斗机的最佳设计，而 1.2 的推重比也是他在认为的最佳值。提供推重比的原因一方面是因为 NASA 之前的研究显示，矢量喷口在大迎角的工作时必须保持罪的剩余推力，这也表示过失速空战是一个速度较低，但是耗油量很大的过程；另一方面，美国和欧洲对敏捷性进行电脑模拟时显示，超级动力不能必须战斗机能量机动性损失，只能在能量机动性不输给对方的情况下才能有效发挥战斗力提升的效果，因此 X-31 又被称为增强战斗机机动性（EFM）项目，从这里我们也可以看出超机动是对能量机动的增强而不是代替。
   

2012-2-19 19:07 上传

F/A-18 HARV 在与普通 F/A-18 进行空战训练时演示了依靠矢量推力迅速改变机头指向的能力
   
  

X-31 在战术测试中的三个经典动作

　　1、俯仰率补充：在 30 度迎角与其它战机进行同样的高 G 转向时，X-31 可以利用其矢量喷口额外提高 70 度的迎角，可在别人无法射击的角度完成射击准备。该动作也会因为武器的选择有所差异，当飞行员选择使用机炮时，X-31 直接拉机头到指向目标的角度；在选择空对空导弹时，因为导弹发射时有迎角的限制，机头必须先掠过目标，在 30 度的角度对准目标。这一动作与苏-27 的普加乔夫的眼镜蛇机动有着异曲同工之妙，但差别是 X-31 全程可控，可以精确的跟踪目标；而普加乔夫眼镜蛇机动却是飞行员无法控制的。

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2012-2-19 19:11 上传

X-31依靠矢量推力可直接拉机头对准目标

　　2、水平剪刀机动：剪刀机动是一对对手在格斗中试图抢得进攻优势转向对手后方，因为两者意图相同，飞行轨迹看起来象是一系列互相颠倒反复的飞行路线，结果是飞得慢的一方最终获得胜利。X-31 的大迎角减速率不是问题，加之其滚转动作可以转化成为“滚转剪刀”，因此 X-31 可以在与传统布局战斗机的空战中更快的占得先机。

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X-31 在水平剪刀机动中也占尽优势

　　3、“赫伯斯特机动”与“直升机旋转”：赫伯斯特机动原本是为了 180 度转向而发展的动作，但因为转弯半径极小的特性，也被称为 J 转向（意为转向只在字母 J 下方的小勾内完成）。如果在回转完成后，战机不继续进行回转，而是让飞机自然向下，继续进行 360~720 度的纵轴回转，由于重力与速度的轴相同，飞行轨迹自然向下，单机头却像直升机自旋般的水平旋转，因此成为“直升机旋转”。

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“赫伯斯特机动”图示

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2012-2-19 19:11 上传

“赫伯斯特机动”的实战应用

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2012-2-19 19:11 上传

“直升机旋转”示意图

机动与敏捷性谁更重要

　　之前我们介绍过，超机动概念提出后，遭到传统机动维护者的反对，最后不得不将其合并在“敏捷性”概念中，也就是说，超机动并不是最求别人做不到的，或是不可思议的动作，而是要将能量、速度或角速度的变化加快到敌机无法反应的程度。

　　这使得大迎角状态下的大迎角轴滚转成为热名课题。在敏捷性概念的发展初期，滚转率会被认为是检验一种飞机敏捷与否的判定基础，因为在高 G 转向中的滚转，可以让战斗机迅速转换到不同的平面，甩开或者攻击盘旋性能较好的飞机。但是大迎角轴滚转，同时包含轴滚转与偏航旋转的特性，使其足以取代作战飞机传统意义上的转向动作。

　　上面我们曾经介绍过 F/A-18 HARV 的双机空战试验动作就是以大迎角滚转达到战机机头指向侧面敌机的目的。包括 X-29 在内的大迎角试验飞机，其滚转率可以达到 30~45 度/秒不等，片面转向率（偏航）可达 20~40 度/秒，而一般的喷气式战斗机瞬间最大的转向率只有 15~25 度/秒。

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F/A-18 HARV 的典型空战动作

　　早期的对超机动的研究是利用飞机在大迎角状态下的空速降低和动能过剩的效应来提高俯仰面的转向率。然而要成 180 度转向的机动转向，在转向前需要先抬头并滚转到水平面，转向后则需要滚转回水平面并低头开加力，“赫伯斯特机动”则要先利用爬升完成大迎角并减速，在滚转的同时完成速度轴的转向与加速，这种机动可以再在很短的时间内完成，战机可以通过它来完成快速发射空对空导弹并完成反向逃逸。

　　但是在 X-31 的试验中却发现，大迎角轴滚转的特性对缠斗中也有一定的帮助，因为它不像在进行俯仰面动作会继续增大迎角而超过控制系统的使用极限，而能够维持 50~70 度迎角范围内快速控制机头指向。发展到极致就成为“直升机旋转”，此时飞机像落叶一样随风旋转，飞行轨迹虽然向下不变，但机头与武器的指向却可以快速瞄准 360 度以内的敌机，试飞结果表明，即使经验有限的飞行员也很容易掌握这种机动动作，而不像其他机动那样需要协调迎角与速度轴的变化。

　　完成空战动作的测试后，X-31 计划进入到了模拟空战阶段。在模拟空战中 X-31 的对手仍然是 F/A-18。与 HARV 不同的是 X-31 在推重比方面具有明显的优势，所以在马赫数 0.3~0.5 时 X-31 的持续机动转向性能要高于 F/A-18，而 F/A-18 则在瞬间转向方面全面领先。这一切都符合当初赫伯斯特的理想；“先以持续机动性设计战斗机，再以超机动扭转飞机的瞬间机动性能。”

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2012-2-19 19:11 上传

1994 年与 F/A-18A 伴飞飞机编队飞行的 X-31


全文完，不上连接
空军之翼
http://www.afwing.com/intro/supe ... noeuvrability-9.htm

X-31 在战术测试中的三个经典动作

　　1、俯仰率补充：在 30 度迎角与其它战机进行同样的高 G 转向时，X-31 可以利用其矢量喷口额外提高 70 度的迎角，可在别人无法射击的角度完成射击准备。该动作也会因为武器的选择有所差异，当飞行员选择使用机炮时，X-31 直接拉机头到指向目标的角度；在选择空对空导弹时，因为导弹发射时有迎角的限制，机头必须先掠过目标，在 30 度的角度对准目标。这一动作与苏-27 的普加乔夫的眼镜蛇机动有着异曲同工之妙，但差别是 X-31 全程可控，可以精确的跟踪目标；而普加乔夫眼镜蛇机动却是飞行员无法控制的。

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X-31依靠矢量推力可直接拉机头对准目标

　　2、水平剪刀机动：剪刀机动是一对对手在格斗中试图抢得进攻优势转向对手后方，因为两者意图相同，飞行轨迹看起来象是一系列互相颠倒反复的飞行路线，结果是飞得慢的一方最终获得胜利。X-31 的大迎角减速率不是问题，加之其滚转动作可以转化成为“滚转剪刀”，因此 X-31 可以在与传统布局战斗机的空战中更快的占得先机。

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X-31 在水平剪刀机动中也占尽优势

　　3、“赫伯斯特机动”与“直升机旋转”：赫伯斯特机动原本是为了 180 度转向而发展的动作，但因为转弯半径极小的特性，也被称为 J 转向（意为转向只在字母 J 下方的小勾内完成）。如果在回转完成后，战机不继续进行回转，而是让飞机自然向下，继续进行 360~720 度的纵轴回转，由于重力与速度的轴相同，飞行轨迹自然向下，单机头却像直升机自旋般的水平旋转，因此成为“直升机旋转”。

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“赫伯斯特机动”图示

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“赫伯斯特机动”的实战应用

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“直升机旋转”示意图

机动与敏捷性谁更重要

　　之前我们介绍过，超机动概念提出后，遭到传统机动维护者的反对，最后不得不将其合并在“敏捷性”概念中，也就是说，超机动并不是最求别人做不到的，或是不可思议的动作，而是要将能量、速度或角速度的变化加快到敌机无法反应的程度。

　　这使得大迎角状态下的大迎角轴滚转成为热名课题。在敏捷性概念的发展初期，滚转率会被认为是检验一种飞机敏捷与否的判定基础，因为在高 G 转向中的滚转，可以让战斗机迅速转换到不同的平面，甩开或者攻击盘旋性能较好的飞机。但是大迎角轴滚转，同时包含轴滚转与偏航旋转的特性，使其足以取代作战飞机传统意义上的转向动作。

　　上面我们曾经介绍过 F/A-18 HARV 的双机空战试验动作就是以大迎角滚转达到战机机头指向侧面敌机的目的。包括 X-29 在内的大迎角试验飞机，其滚转率可以达到 30~45 度/秒不等，片面转向率（偏航）可达 20~40 度/秒，而一般的喷气式战斗机瞬间最大的转向率只有 15~25 度/秒。

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F/A-18 HARV 的典型空战动作

　　早期的对超机动的研究是利用飞机在大迎角状态下的空速降低和动能过剩的效应来提高俯仰面的转向率。然而要成 180 度转向的机动转向，在转向前需要先抬头并滚转到水平面，转向后则需要滚转回水平面并低头开加力，“赫伯斯特机动”则要先利用爬升完成大迎角并减速，在滚转的同时完成速度轴的转向与加速，这种机动可以再在很短的时间内完成，战机可以通过它来完成快速发射空对空导弹并完成反向逃逸。

　　但是在 X-31 的试验中却发现，大迎角轴滚转的特性对缠斗中也有一定的帮助，因为它不像在进行俯仰面动作会继续增大迎角而超过控制系统的使用极限，而能够维持 50~70 度迎角范围内快速控制机头指向。发展到极致就成为“直升机旋转”，此时飞机像落叶一样随风旋转，飞行轨迹虽然向下不变，但机头与武器的指向却可以快速瞄准 360 度以内的敌机，试飞结果表明，即使经验有限的飞行员也很容易掌握这种机动动作，而不像其他机动那样需要协调迎角与速度轴的变化。

　　完成空战动作的测试后，X-31 计划进入到了模拟空战阶段。在模拟空战中 X-31 的对手仍然是 F/A-18。与 HARV 不同的是 X-31 在推重比方面具有明显的优势，所以在马赫数 0.3~0.5 时 X-31 的持续机动转向性能要高于 F/A-18，而 F/A-18 则在瞬间转向方面全面领先。这一切都符合当初赫伯斯特的理想；“先以持续机动性设计战斗机，再以超机动扭转飞机的瞬间机动性能。”

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1994 年与 F/A-18A 伴飞飞机编队飞行的 X-31


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空军之翼
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2012-2-19 19:13 上传

VECTOR 阶段试飞的 X-31

顶！赞一个

2012-2-19 19:15 上传

F-16/MATV 尾部细节

　　在一对二交战中，汉德森专职扮演敌机对付 F-16/MATV，而皮尔松和汉德森则轮流担任敌机和 F-16/MATV 前座飞行员。他们三个共进行了 62 次一对二空战。在这些交战中，入侵者总是试图让僚机占据高位以便在战斗中获得优势——同时还根据战斗机战术手册进行交战。他们的策略是当 F-16/MATV 与其前方的入侵者交战时，从上方实施攻击。如果这种战术成功，将为批评家针对过失速机动的主要论点提供事实依据。这意味着，过失速机动所带来的任何优势都可能被对手数量上的优势所轻易克服。

　　但真正的结果可能令这些批评家非常惊讶：MATV 飞机在这种不公平的交手中总是能坚持下去，并经常进行令人印象深刻的攻击性过失速机动，从而迫使敌机改变战术，或者减小相互支援以对付 MATV 飞机。尽管敌僚机一直试图占据高位，但 F-16/MATV 可以使用它的过失速机动能力获得开火机会，或者至少在继续和前方敌机交战前，给予高处的僚机以一定威胁。

　　评估也显示，航炮（配备增大射程的 PGU-28 炮弹）是使用最多的武器，因为格斗中距离较近，反应时间较短。导弹仅仅在一部分时间里使用，其中大多数都是在标准迎角限制内开火。（大迎角导弹正在研制中。事实上，在几次飞行中，F-16/MATV 翼尖曾经挂上装有特殊设备的 AIM-9M，以收集在大迎角环境下作用到导弹上的振动和载荷数据。）

　　422 中队飞行员的意见是：尽管推力矢量永远无法替代融会贯通的基本空战技巧在空战中的作用，但这种能力确实可以显著改善飞机的攻击力。 F-16 也从这种能力中获益。目前该机挂载导弹后的可用迎角已经从 15 度（不对称挂载导弹时）提高到最大升力系数迎角（35 度）甚至更高。但这种优势在试飞计划中并没有刻意强调。
{:soso_e100:}

留着慢慢看。

LZ辛苦，支持下！

2012-2-19 19:18 上传

P/YBBN 喷口的几种工作模式

　　由于战斗机机翼在超音速飞行时可以产生数倍于自身重量的升力，虽然试验用的 F-15 发动机的推力并不大，但是 P/YBBN 喷口的好处是阻力相对较小，可以通过配平控制而降低巡航阻力，而对于无尾翼飞机而言，这更是唯一控制飞机偏航的方法。

　　F-15ACTIVE 试验机于 1997 年开始进行“高稳定机动控制”（HISTEC）的研究，该计划是利用压力测量器探测压气机表面的气流扭曲现象，当发现压气机出现即将失速的即将是，就开启高速喷气阀门阻止气流失速。这个测试也没有进行多久，此后试验机又回去进行喷口与控制系统的相关测试，所有的试验工作直到 1998 年才结束。

结束语

　　美国在矢量喷口的发展最终落实在了第四代战斗机的身上——F-22，这种战斗机采用方形发动机喷口，而在进行过失速的超机时的技巧也被用于进行未来飞行员的战术训练当中。然而机头涡流为何会不对称发生进而造成横向不稳定的现象仍然是有待技术人员解决的问题。在经历了大量的风洞试验后，技术人员仍然不能掌握这一问题的成因，不过现在已经知道如何对其进行控制，在未来的计划中，战机的垂直尾翼已经显得不再必要，可以去掉以降低飞机的雷达反射面积。

的确是实力雄厚

LZ我太支持你了

LZ是原创还是转载，如果转载请注明出处

几句想说的话：

1、兔子和米蒂近几年在战斗机方面的差距缩小，但是这种缩小一小半来自于中国技术实力的增长，一大半是来自于兔子的政治制度的，兔子的政治制度适合集中力量办大事，如果现阶段，兔子和米蒂开片，米蒂一旦进入战时状态，可以很快的吧以前的技术实用化，吧兔子重新甩在后面老远
   以前我们是望其尘迹，现在是望其项背，但是还不是兔子能够开开心心吃萝卜的时候，大家谨慎乐观。
   所以说现在的战略机遇期对兔子来所很重要，经济上如此，军事上更是的，等我们能够齐头并进的时候，就是兔子能够亮牙口的时候，不到那时候，还是要收敛点。
2、下一代战斗机，在气动上，翼面将会更加的复杂，但是控制面会减少，因为战斗机会全面实现矢量控制，起码很多战斗机的垂尾会取消。

taoweihust 发表于 2012-2-19 19:22
LZ是原创还是转载，如果转载请注明出处
我在开头第一句话就说了啊，转空军之翼的啊

萝卜好好吃啊 发表于 2012-2-19 19:30
我在开头第一句话就说了啊，转空军之翼的啊
链接

很好的资料，慢慢消化。

学习了，再总结个毛子版的比较一下就更好了。

不都是4代的吧

taoweihust 发表于 2012-2-19 19:36
链接
报告斑竹，补了

奇多圈 发表于 2012-2-19 20:01
不都是4代的吧
这些研究为四代战斗机的研制做了探索和准备。这些是比较早的
有些成果不光用在娘娘上了，也在yf-23等等上面用了。

萝卜好好吃啊 发表于 2012-2-19 20:10
报告斑竹，补了
谢谢合作，最好补在一楼，值班斑竹要是没看到链接会扣分的:handshake

MD是先行者，前面有很多分叉口，于是要每个岔路都去走一下看走的通不。MD很多验证机主要是为了验证这项技术行不行的通而已，很多是走入死胡同的技术，结果就是封存起来，浪费大量人力物力。土鳖现在的追赶就是沿着MD走过的路追赶下去，因为不用去探岔路，所以要节约很多精力。所以不用对MD封存的那些验证技术担心，如果真的逆天的技术，早就用在娘娘身上了！

萝卜好好吃啊 发表于 2012-2-19 19:26
几句想说的话：

1、兔子和米蒂近几年在战斗机方面的差距缩小，但是这种缩小一小半来自于中国技术实力的增 ...
对F22从未怀疑,J20还要完善,这个十年最关键,六代中美都是气动射流无尾飞翼......2030左右应该能看到.

可见MD不是白叫的，在基础科研方面实力雄厚，兔子在这方面差距还很大

科研和国力走不得捷径的。请加大科研力度。

看篇幅就知道是好文章,Mark之 ,后看

俺认为，前掠翼也好，适量也好，无尾也罢，技术上实现并不难，如何驾驭他们，如何使用他们，如何把技术转换为实用的战斗力，介个才是米帝真正领先的地方啊

基础科研最重要的是积累，这方面我们跟MD的差距说能望其项背都有点YY。。。

"然而机头涡流为何会不对称发生进而造成横向不稳定的现象仍然是有待技术人员解决的问题。"
这就是f22有如此巨大的垂尾的一个原因吧....
以美国当下的技术对涡流的研究，这个问题应该减小了。因为技术上不及美国的中俄都采用了小型垂尾。（当然，我们还得用腹鳍呦，亲

冰冻三尺非一日之寒。

某国那些用来给战机换型号的花哨东西米帝早玩儿的不带玩了