2015年12月27日星期日

心神与歼20,谁更优秀?

心神与歼20,谁更优秀?

"心神"飞行想象图

最近日本公开了其最新一代战斗机"心神"的照片和视频资料,不但日本媒体积极报道,在中国这边也引发了媒体和舆论的高度关注。其中俗套的对比是难免的,"心神"与歼20哪个优秀?我们不妨对"心神"来一次全方位的了解。

一、 现有心神为技术验证机,无法与歼20相提并论

尺寸和吨位一直是影响战斗机造价的关键因素之一。按照一般规律来说,战斗机越小,它的结构制造费用也越低;而更轻的重量可以让战斗机选用推力更小、价格更低的发动机,而且耗油率上的经济优势会在批量装备以后的使用中体现的极为明显。这也是第二、三代战斗机中都不乏空重控制在6~7吨内的轻型飞机的原因所在。

但是过小的尺寸吨位也会对飞机作战性能带来很大的负面影响:飞机没有足够的机身内部空间装载燃油和电子设备,挂载的武器重量和数量也被严重限制了。尤其是对于第四代战斗机来说,"轻型四代"这一概念实际上不可能存在,因为在工程技术上已经无法做到了。

无论是隐身性能的雷达反射特征控制要求,还是强化超声速飞行持续能力的低阻力要求,都迫使四代机必须采用弹仓内置武器设计。如果飞机没有足够大的尺寸和吨位,根本无法在机身内安排出足以容纳多枚空空导弹、精确制导炸弹的空间用于设计弹仓。

在我国对于新一代战斗机的探索研究过程中,某单位曾经对低成本型四代机的吨位尺寸控制做过较为深入的研究。方案迭代的结果显示,10吨空重已经是四代机的下限;这个数字是在飞机采用重量最小的无尾三角翼布局,放弃超机动能力和损失一部分短距起降能力后才得到的结果。

心神与歼20,谁更优秀?

无尾三角翼布局结构重量小,法国幻影2000使用此设计,弥补了发动机性能劣势。

对于日本的战斗机研发来说,它的作战环境和假想目标是都非常明确,就是在东海、日本海上空与俄罗斯、中国的战斗机交战,并具备打击上海等中国东部沿海地区、俄罗斯远东边界地区的能力。这种背景要求日本新一代战斗机在执行对地攻击任务时具备至少要达到800公里以上的作战半径。

从心神来看,日本新一代战斗机采用了常规布局设计。由于多出一对平尾和飞机长度要更大等因素,其重量比无尾三角翼布局要高不。即使是考虑日本领先我国的材料工艺优势,可以通过高比例的先进复合材料大幅度减轻结构重量;其空重至少也要接近12吨才能满足要求。但是根据现有信息,心神样机的起飞重量也不过8吨左右,空重甚至不到6吨,显然与此标准相差极大。笔者认为,心神样机尺寸特别大、明显属于双座设计的座舱盖,是解释这一矛盾的关键所在。

和单座飞机相比,双座飞机会在性能上出现很明显的损失;飞机不仅需要付出很大的重量代价来安装多出的弹射座椅、仪表台、更大面积的座舱盖等设备,还损失了相当可观的原本用于装载燃油的机内空间。事实上随着航电系统的高度综合化自动化,飞行员一人就足以驾驶飞机执行复杂的作战任务,这也是美国、中国、俄罗斯现有四代机均无双座设计的根本原因。

心神样机采用双座设计,吨位尺寸又特别小,这就只有一种解释:现阶段的心神既是承担气动外形/飞行控制系统试飞任务的验证机,同时也是日本新一代教练机的原型机。这实际上是一种很聪明的策略,进可攻退可守;无论将来政治局势对心神项目如何影响,日本都不会彻底荒废掉这一项目的投资和技术成果。

在顺利的情况下,心神样机试飞完成以后,会进一步投入全尺寸战斗机型的研制。事实上这就是照抄F35战斗机的发展经验--最早的X35验证机吨位和尺寸都比今天的F35小很多,而且同样没有内置弹仓。如果我们仅以现在的样机来评断日本心神战斗机的未来水平,那么就和用X35来评断F35的作战性能没有两样了。即使是项目发展不顺,日本也会将现有的心神样机稍加修改--比如去除矢量推力结构以后,投入批量生产,作为新一代高级教练机使用。

但如果回答开篇问题的话,心神现在实在无法与歼20进行性能上的比较,因为它只是验证机,未来还需进行诸多改动,而歼20作为新型号战斗机已开始定型试飞,预料数年内就会装备部队。

心神与歼20,谁更优秀?

心神作为技术验证机采用双座设计,体现了日本人精打细算的特点。

二、 心神气动布局较为合理,设计中规中矩

日本在心神上采用常规布局设计和F-2战斗机有很直接的关系。F-2战斗机是三菱公司与洛克希德马丁公司合作研制的产品,实际上就是在美国提供F16设计技术的支持下,日本半仿半研而成的F16放大改进型号。在F-2的研制过程中,三菱公司掌握了常规布局三代机的关键设计技术,比如边条翼的涡流增升设计、电传控制技术,为今天的心神验证机奠定了基础。

心神飞机在气动布局的总体设计上比较像F22,但是在机翼与尾翼的核心设计上却截然不同。F22采用棱型平面机翼设计,机翼的后缘带有很大的前掠角度;这不仅使机翼获得了更好的强度和刚度特性,而且机翼与机身的连接长度大大增加了,机翼受力能够更多更均匀的分担给机身。在机翼大幅加长以后,为了避免平尾向后超过喷管太多,引起重量的大幅度增加,F22的设计人员将机翼的襟翼内侧切除了一个缺口,使平尾的前端正好切入进来。

切入式平尾设计使F22不仅避免了严重超重的窘境,而且外形的紧凑在侧向隐身和整体阻力减低上也带来了非常优越的性能改善。但这一设计也存在严重的弊端:经过前机身和机翼的气流对平尾的干扰特别严重,这使F22在俯仰控制时的非线性问题特别严重,并引起了一连串的问题--包括坠机。后来F22电传飞控软件经历过反复多次更新,与此关系极大。

心神与歼20,谁更优秀?

F-22独特设计缩短长度减轻了结构重量,但也为飞控系统设计带来难度。

俄罗斯T50在机翼、平尾的设计上很大程度参照了F22,其优缺点都大体类似。所不同处,由于在气动研究和飞行控制领域上差距较大,俄罗斯人需要额外在进气道前沿设置可动边条对飞机的涡流升力进行主动控制,这才能有效削弱飞机俯仰控制的非线性问题,保证飞行安全。

心神选择梯形机翼,缩短了机翼根部的长度;这样可以在飞机长度不增加的情况下,保证平尾与机翼之间不直接干涉。虽然这种设计是典型的三代机水平,而且对于机翼的结构特性和整机寿命没有什么贡献,但是大幅度减小了飞行控制上的风险,应该说是一种比较务实的做法。

此外在进气道设计上,日本此次公布的视频中采用了模糊处理。以前心神全尺寸模型上采用的是加莱特进气道已经公开过,并无保密必要,因此本次样机采用了DSI无附面层隔道设计的可能性很大。

这种进气道现在已经得到了广泛使用,除了重量优势特别明显外,在隐身上也优于F22和F18E/F的加莱特进气道;虽然进气道上下边沿与机身侧面的夹角会形成反射特征点,但这与加莱特那种附面层隔道形成的深腔效应反射相比简直不值一提。不过日本现阶段对DSI进气道的优化能力到底如何,目前只能存疑。

在气动布局的其它方面,心神做的较好;整体流线相当的简洁、流畅自然。不仅在机身各平面的过渡上找不到处理不良的地方,不像歼31的尾撑在机翼下方形成带有强反射特征的直角棱边凸起;而且在后机身的面积分布和收缩过渡上处理的也不错,不像歼31不仅后机身面积过大,还需要设置尾椎来减弱尾喷管之间的干扰阻力。

心神与歼20,谁更优秀?

心神整体设计更像F-35、歼31,流线简洁自然。

从整体上来评价的话,心神现阶段的气动布局设计是比较合理的;虽无惊才绝艳的亮点,却胜在没有什么错误。如果心神在放大以后还能保持这种水平的话,它将具备较大的性能潜力;只要设计方优化到位,在RCS、阻力、升力性能上都能做出不错的表现。

三、 心神飞控系统硬件先进,但设计经验不如中国

从日本公布的采访视频来看,心神的项目论证过程中始终将超机动能力放在一个很重要的位置,这无疑会对其飞行控制系统提出很高的要求。

对于飞行控制系统的动力部分来说,飞机的大部分活动部件,比如水平尾翼、襟副翼、方向舵这些都需要液压系统来进行驱动;液压系统的功率越大,舵面偏转的速度也就越快,飞机反应便越敏捷,越适合超机动飞行。比如F22的液压系统总功率达到560KW,是F15的两倍;而根据我国2008-2009年航空科学技术学科发展报告中公开的研究进展和性能指标进行推测,歼20的液压系统总功率应该在600千瓦左右。

在功率指标越来越高的情况下,为了减小液压系统的体积和重量,对于第四代战斗机来说,液压系统的工作压力从每平方厘米210公斤提升到280公斤已经是通行的设计标准。F22、歼20、T50的液压系统都是采用这个标准作为恒定工作压力。日本作为传统的液压强国,泵、阀、密封件等关键环节上一向技术先进,要做到这点不存在任何难度。

实际上因为设计时间的差异,四代机的技术并不一定就全面比所有的三代机先进。比如F18E/F液压系统采用的就是每平方厘米210~350公斤的可变压力工作体制,一般飞行情况下使用低压,而进行高机动飞行时自动转换到最大压力。心神将来的液压系统是和目前四代机一样采用28兆帕恒压工作体制,还是采用35兆帕的智能变压工作体制,还要等将来日方披露信息后才能知晓。

心神与歼20,谁更优秀?

飞机液压系统也是现代战斗机研制的难点之一,这方面F-18E/F领先。

而对于负责信号传输处理的电传部分来说,心神很有可能采用3-4余度数字电传系统,无模拟电传备份。这基于两个原因:首先是现代数字电传系统的可靠性已经非常高,保留额外的备份系统没有必要。其次采用先进气动设计的现代战斗机本身控制律就较为复杂,而且研制过程中反复修改调参更是无法避免的现象;要在软、硬件修改无法分离的模拟电路中完成这些工作,技术难度非常高,无谓花费的人力、时间、财力代价都太大。

心神样机从一开始就具备矢量推力系统,日本官方宣传视频中也刻意强调了超机动飞行能力;通过这两点分析,心神的电传功能肯定会包括建立在飞行控制系统、发动机控制系统交联基础上的过失速区域控制能力。考虑到我国目前受限于发动机问题,歼20尚未使用矢量推力发动机,日本甚至有可能在一些关键技术上比我国更早开始试飞探索。

在F22和JAS39的时代,由于设计手段和飞机设计人员的思维习惯、技能传统所限,飞机控制律编写都是在传统的单回路设计方法上展开的;设计难度大,而且效果越来越不能满足先进气动设计飞机进行复杂机动飞行的需要。日本在数学和自动控制理论领域一向有非常高的水平,心神在控制律设计中应用新的多变量控制理论,对飞控进行系统化的多变量、多回路综合处理将会是必然选择。

但是电传飞控的特殊之处在于,控制律软件其实本质上就是设计单位将飞机气动设计以数学形式展现出来,即所谓的飞控气动一体。但是现阶段人类气动水平仍然非常有限,对于过于复杂的流场(比如过失速下机翼气流分离后的状态)无法进行模拟计算,这一方面只能依靠风洞试验和实际试飞经验的反复经验积累来指导气动、飞控的设计修改。

因此就算在先进设计方法、工具上日本并不欠缺,甚至在具体性能比歼20等新型先进战斗机所应用的还要好一些;最终控制律的设计水平高低,依然极大的取决于研制单位的经验积累程度。在这一方面,日本的三菱公司要远远落后于我国的611、211等研究所。

心神与歼20,谁更优秀?

高机动下的气动分析计算至今仍是难题,这方面日本厂商的经验不如中国。

总的来说,心神飞行控制系统的硬件系统和指导理论、设计工具都将会是相当先进完善的;但具体的性能,仍然要以实际试飞为准。而且对于日本来说,要将心神的飞行控制发展到他们预期的完善程度,这将是一个非常漫长而艰巨的任务。

四、四代机结构设计制造,日本有优势

日本在现代战斗机结构制造上,一直拥有着非常高的水平。比如在重型三代机的生产能力突破上,日本生产F15J/DJ就要远远早于我国的歼11系列;在这个过程中,日本掌握了非常强的钛合金加工能力。

作为冷战时期,美军在越战遭受巨大损失后不惜血本搞出来的主力制空机型,F15在结构设计上很少考虑成本问题。F15机体材料中,钛合金比例达到26.5%,而且这些关键的承力部件往往制造难度非常大。

比如F15机身承力隔框就是用6AL-4V钛合金在3万5千吨锻压机上锻造的,宽度达到3.05米。在其中心腹板的厚度只有1.5毫米的情况下,腹板两侧筋条厚度1.3~2毫米,高度却达到64毫米。腹板两面的凹槽共计42个。然而形状如此复杂的承力构件,精加工余量却只有2.3毫米,加工难度之大远非苏27可比。

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F-15钛合金比例高,加工难度大。

然而F15J/DJ毕竟只是美国授权给日本生产的产品,对于提升日本的自主设计能力帮助不大,这种局面在F-2战斗机研制时得到了改观。在二战以后,日本航空并未像德国一样一蹶不振,而是迅速复苏并自行研制了多款战术飞机。有了这些设计经验作为基础,日本在F-2研制过程中很快就吃透了F16的相关设计规范,不仅掌握了传统金属材料结构的损伤容限设计等三代机结构技术,而且他们还利用自身全球领先的化纤水平优势,为F2更换了复合材料机翼。

虽然此后日本一直没有开发过新的战术飞机,但是在飞机复合材料结构设计制造上,日本积累经验、探索先进设计理论的脚步却从未停止过。日本拥有世界上最顶级的高性能纤维和基体材料提供商,他们在与各大航空企业合作的过程中既是原料提供者,又是复合材料结构的代工制造者,也是相关设计研发的参与者,同时更是复合材料结构出现失效后的反馈信息接受者。在飞机的复合材料结构设计制造领域,日本有着极强的技术能力。

这些能力现阶段并未直观的体现在心神验证机上,根据日本公布的视频来看,这架验证机为了降低成本,几乎没有使用复合材料结构,绝大部分结构都是铝合金材料。但可以肯定的是,如果心神能继续发展去下,它在结构设计制造方面不会遇见大的难题。

心神与歼20,谁更优秀?

波音787所用的碳纤维大部分从日本采购。

五、心神可能最终无法成长为战斗机

心神在发动机上最为引人瞩目的外形特征,就是它采用折流板结构的矢量推力控制系统。这种系统由于结构简单可靠,易于实现,以往也常用在验证机上,比如著名的X-31验证机。但对于装备型号来说,折流板对于发动机的推力损失太大,自身形成的超声速干扰阻力又太高,极不适合于超声速飞行,因此从未实用过。

基于正常的技术规律来说,笔者可以肯定在未来的完全体心神上,其矢量推力结构必然要更换为类似苏30MKI的轴对称偏转喷管,或者类似F22的二元喷管设计。然而问题的关键也在这里,心神在发动机上究竟有多大的选择余地?

心神现阶段使用的发动机是重量644公斤的小型涡扇发动机。根据日本公布的结构示意图,以及日本发动机引进历史来看,它的基本设计应该是源于英法联合研制的阿杜尔发动机。通过改善结构,比如增加风扇和压气机的级数;使用先进的材料减重,并达到极高的1900K涡轮前温度,心神的发动机推力从不到3.5吨增加到了5吨。可以肯定的是,这台小发动机受基本结构和尺寸所限,不可能再有大幅度的推力增加。

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心神现有的发动机无法支持战斗机的研制。

然而5 x 2的10吨推力绝不可能承担起一款真正四代机的动力要求。对于心神的未来发展来说,目前看起来有一定可行性的唯一途径,是在F-2战斗机所采用的通用电气F110-GE-19发动机基础上进行仿制改进,增加矢量推力结构。这款发动机日本不仅使用维护经验丰富,而且本身就具有一定的生产组装能力。

然而当心神达到这种高度时,必然会对美国F35形成非常严重的冲击。即使日本不对外销售心神,仅仅是F35对日销量的萎缩,也会对美国造成严重的经济损失和干预能力下降。

已有的事实证明,美国在这方面是非常敏感的,比如挪威在F35与JAS-39改进型号中犹豫的过程中,美国就通过停止向瑞典提供相关雷达部件的措施来破坏瑞典和挪威的交易。也难怪很多人认为,心神在很大程度上是一款政治型号,只是向外宣示日本军事发展决心和实力,而且又能在美日军贸中为自己添加重量的一个砝码。

结语

综上所述,心神目前仍是一款小尺寸技术验证机,暂时无法与中国的歼20、歼31相提并论。但从心神身上,我们可以看到日本航空技术的深厚功底,心神要发展成完全体的第四代战斗机并非难事。究竟美国是否允许日本独立发展四代战机,我们只能在保持警惕的同时,静观后续发展。(文/侯知健)

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