2015年12月29日星期二

歼-20上舰问题再探讨--文章--雷曼军事网

歼-20上舰问题再探讨--文章--雷曼军事网

歼-20上舰问题再探讨

舰载战斗机的需求

舰载战斗机,顾名思义,就是搭载在舰艇上使用的战斗机,而舰艇环境相对于陆地机场的巨大区别,也形成了舰载战斗机和陆基空军战斗机的区别。美国海军航空母舰使用的舰载机,在隶属于JSF 联合打击战斗机计划下的F-35C 之前,都是由海军自行提出需求并组织研制生产,但是只有美国才拥有大量航空母舰以及其配套的舰载机部队,其部队规模才能满足一个型号研制的最低采购需求。苏联/ 俄罗斯仅有一艘"库兹涅佐夫"号,而法国也只有一艘"戴高乐"号,需求只有几十架,因此其大中型航母使用的舰载战斗机都是基于岸基战斗机进行航母适应性改进而成,苏-33 就来自于著名的苏-27 家族,"米格"-29K 更是"米格"-29 的一个典型改型,而达索"阵风"在同名岸基战斗机基础上,甚至连折叠机翼都没有采用,以降低研制难度和节约成本。

航空母舰上空间狭窄,是一切舰载机设计的基本前提。正常情况下,飞机是在1000 米左右的跑道上完成起飞和着陆,而在航空母舰上需要在100米内完成起飞,200 米左右的操作空间内完成着舰作业,停机空间也极为狭小,因此在舰载机上一般都要针对航空母舰使用进行专门的设计和优化。航母舰载机的优化,主要是包括三个方面:

首先是提高起降性能,航空母舰的起飞方式与陆地机场完全不同,起飞使用弹射或者滑跃方式,需要在100米左右的距离起飞,而着舰方式更是存在着巨大的反差,陆地着舰是自然减速降落,而在航母母舰上则必须保持随时可以复飞拉起的状态,同时降低速度保持可控状态依靠拦阻索强行将飞机拉停。因为航空母舰上的起降空间小,因此对于飞机的低速性能要求极高,需要飞机有较低的起飞速度和较低的可控速度,以便于飞行员着舰操控,以及降低起飞着舰状态的动能/ 动量,降低拦阻索和弹射器的负担。

比如说F-14A 战斗机在重量70700 磅(32 吨)的情况下,关闭发动机的失速速度为127 海里/ 小时,在57646 磅(26 吨)重量下则为115 海里/ 小时。对比来说,F-15C 战斗机在68000 磅(30 吨)重量下达到了162海里/ 小时。巨大的差异反映的就是低速性能的巨大差距,如果使用同样的弹射器,F-15 的起飞重量会比同状态的F-14 30% 左右,对战斗力的影响极为巨大。因此各国在舰载机上都使用了大量的增升手段,除了像F-14 这样采用可变后掠翼提高低速性能的,常规的做法是采用大型的后缘襟翼,并且提高襟翼的向下打开角度以提高飞机的升力系数来满足低速性能的需求。

20 年来,还有一种方案增升效果较好,即在飞机前部增加一对前翼,苏-33/ -15 家族就是采取了这个方式,一举降低了着舰速度约15 海里/ 小时。飞机是一种依靠升力起飞的飞机,主翼的功能就是为了产生升力,但是为了保证足够的静稳定度,飞机的升力中心一般比较靠后,因此在很多时候即使产生的升力满足了起飞需求,由于杠杆力矩会产生一个抬尾同时低头的力矩,使得前起落架无法离地,因此常规布局飞机起飞时候必须要让平尾有一定的下偏,产生负升力以压低尾部抬高机头部分,实际上飞机产生的升力就是主翼产生的正升力和平尾的负升力的差值,小于主翼产生的升力,更是远小于主翼和平尾面积相加所能产生的升力。在着陆状态也是如此,着陆/ 着舰需要保证主起落架先于前起落架着地,需要保持一个抬头状态,也需要平尾产生负升力来保证这个抬头力矩。增加前翼后,直接在机头部分产生了升力,自然的形成了一个抬头力矩,这样对于平尾的下偏需求降低,从而减少了平尾的负升力,提高了整体的升力系数。当然,在原有的常规布局飞机基础上增加前翼,会造成阻力增大和气动干扰问题,影响了飞机的飞行性能,苏-33/ -15增加前翼后,航程由苏-27 3900 千米降低到了3000 千米,爬升率降低了15%,付出了相当巨大的性能代价。

如果是鸭式布局战斗机的话,这方面的问题就小了很多,鸭式战斗机天生静不稳定,本身就具有较强的抬头倾向,同时鸭式战斗机没有平尾也就不存在平尾的负升力问题,也就是其所有的升力面在起飞/ 着陆过程中都处于正升力状态,以最高效率利用了所有气动能力。"阵风"战斗机在24.5吨的满载状态下,起飞速度也可以控制在153 海里/ 小时的水平,比同重量级别的F/A-18"大黄蜂"在22.7 吨状态下165 海里/ 小时左右的起飞速度要

12 海里/ 小时左右。

当然,提高起降性能最根本的一点还是在于有效的机翼面积,机翼面积太小的飞机,即使采用大量的增升手段也难以满足起降条件要求,美国JSF 联合打击战斗机计划中的空军型F-35A 机翼面积为42.7 平方米,而舰载版的F-35C则加大到了62.1 平方米,增大了45.5%

其次是加强机身结构,弹射起飞和拦阻着舰都会对飞机产生一个强烈的纵向过载,尤其是拦阻对于飞机是个巨大的考验,拦阻着舰时的瞬时过载最高可能接近7G,飞机本身的飞行性能需要的是提高横向扛过载能力,对于纵向过载能力要求很低。因此将飞机加强到可以承受弹射和拦阻的需求,其带来的重量增长基本上等于是废重,对于飞机设计带来很大的麻烦。对于飞机的结构寿命来说也是巨大的考验,F/A-18 战斗机飞行2000 个起落左右的时候,其机身结构和起落架就开始广泛出现裂纹,不适合继续服役。

最后一点是飞机的停机性能改进,航空母舰上的停机区面积极小,即使是世界上最大型的"尼米兹"级核动力航空母舰,其机库长宽也只有308米×32.9 米,如果是正常的空军用战斗机只能停放十几架。因此必须要将飞机的机翼甚至是平尾进行折叠,以尽可能的减少停机占用的面积。比如F/-18 战斗机翼展11.43 米,折叠后宽度只有8.38 米。当然折叠设计也有很多需要考虑的地方,为了甲板操作方便,需要保证所有重挂载挂点都在固定的机翼部分,以便与工作人员挂载武器,比如F/A-18 系列只有一对"响尾蛇"导弹挂载在折叠起来的翼尖部分,其余挂点全部在固定部分,可以直接挂载,而苏-33/ -15 的挂载设计就存在巨大问题,其承重能力两吨的主要挂点就在折叠部分,需要将机翼放下才能挂载,而且挂载对地打击武器进入待命状态后无法再进行折叠,占用停机空间较大。

以上三项主要需求,使得舰载机设计需要作出大量的妥协,尤其是在重量上,苏-33 比苏-27 空重增加了1700 千克,增幅约10%F/A-18 则为了上舰改装增加了1400 千克左右的空重,增幅约18%;而机翼面积大幅度增加的F-35C 则创造了一个惊人的空重增幅,从F-35A 29300 (13300千克) 增加到了34800 (15800 千克),增幅达到了2500 千克,增幅达到18%。当然,重量的增幅也与飞机布局息息相关,采用前翼方案的设计,增升幅度相对较小,采用常规布局的,增幅较大,主要是因为前翼带来的升力增益较大。

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舰载战斗机之分代

海军舰载飞机包括了战斗机、攻击机、预警机和反潜机这主要的四个大类,随着多用途战斗机的发展,舰载攻击机目前已经基本并入了舰载多用途战斗机的发展脉络之中,而舰载反潜机则基本已经退出了现役,预警机则基于成熟平台,对飞行性能要求不高,美国E-2 预警机系列从1964 年服役至今已经近五十年,也还不需要更换新的平台。因此,当前对于舰载飞机发展的焦点,都集中在了舰载战斗机上。

20 世纪50 年代以来,舰载超音速战斗机已经发展了四代,而走完这完整的四代历程,每一代都有飞机服役的只有美国海军一家,甚至可以说四代舰载机中其他国家目前都只有区区一代,美国之外的国家没有第一代、第二代和第四代超音速舰载战斗机,仅有三种第三代超音速舰载战斗机。

舰载战斗机主要分为拦阻着舰的常规型舰载机和垂直起降舰载机,一般的大中型航空母舰使用的都是拦阻着舰的常规型舰载机,垂直起降型大部分都是攻击机,只有"雅克"-141F-35B 属于超音速战斗机范畴。20世纪50 年代的F8U"十字军战士"为第一代,第二代则是著名的F-4"鬼怪",这两代战斗机担纲了越南战争的海军制空主力,同时还大量参加对地打击任务。大名鼎鼎的F-14 属于第三代舰载战斗机的开山之作,而第三代舰载机也是世界舰载机研制爆发的一代,苏联拥有了自己的航空母舰"库兹涅佐夫"号必然需要发展自己的战斗机,而法国在进口F8U 战斗机退役后也需要新的战斗机接班,因此美国有F/A-18"大黄蜂"和F/A-18E/F"超级大黄蜂",苏联也研制了世界上除美国之外的第一批的超音速舰载战斗机苏-33"海侧卫"和MIG-29K"海支点"以及垂直起降的"雅克"-141,法国也研制了达索"阵风"-MDassaultRafale-M)战斗机。我国的歼-15 战斗机是基于苏联苏-33 舰载战斗机的仿制型号,在其基础上对航电设备进行了升级,也可以使用各种国产航空武器。

而第四代超音速舰载战斗机,目前只有F-35C F-35B 两种,F-35C是采用弹射起飞- 拦阻着舰的常规舰载机,F-35B 则是用于海军陆战队两栖攻击舰的短距起飞- 垂直着舰型舰载机。

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(中、美、俄、日四代机机型或方案的尺寸对比。从中可看出,歼-20 个头最大。)

四代舰载机的革命

严格意义上的四代战斗机,是指拥有超音速巡航能力、超机动性、隐身性和超级战场信息能力的先进战斗机,当然这个标准非常的高,目前只有F-22 可以实现,我国的歼-20 由于试飞阶段的发动机限制还无法实现超音速巡航能力,F-35 则缺乏超音速巡航能力和超机动性,歼-31F-35类似,也缺乏这样的高性能飞行能力。在四代舰载机方面, 目前只有F-35C 一根独苗,不过在之前美国海军也有两个自己的四代舰载机方案,分别是NATF A/X

这两个方案都采用了可变后掠翼设计,外界曾广泛认为是可变后掠翼版本的F-22。但是实际上这两个方案与F-22 都存在着巨大的差异,与依靠巨大推力满足高速需求的F-22 相比,这两个方案都是依靠可变后掠翼来满足高速飞行和长时间巡逻的需求,同时采用两台推重比达到15,推力只要求达120 千牛的PW7000 发动机,实现了一定的超巡能力。两台发动机的较小重量也可以满足重量限制,同时较小推力较大涵道比带来的低油耗优势使得其配合变后掠翼可以满足远航程以及长时间巡逻的需求。同时还没有F-22 机身两侧的格斗弹舱,节约了大量的重量。

设计上这两款飞机都实现了接近F-22 的作战能力。但是由于无法解决可变后掠翼的隐身问题,以及更为重要的经费问题(美国海军的舰载机采购预算即使不考虑货币贬值问题,也远低于20 世纪80 年代),这两个项目先后被腰斩,海军只得接受国会要求,选择了JSF 联合打击战斗机计划。四代战斗机最重要的优势,就是在于其隐身能力,隐身能力可以使得对方的防空能力极度下降,从而带来整个海空战役态势的巨大变化,因此发展第四代舰载战斗机,也成为了夺取制海权的必然选择。

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(美国海军先进战术战斗机(NATF)的变后掠翼方案,本打算用来替换F-14"雄猫"舰载机, 后来中止。)

 

-20 可以做舰载机吗?

目前国内流行着一种说法,即歼-20 重量太大,体型太大,航空母舰上携带数量少,不像中型飞机可以大量携带,而且还是鸭翼飞机,不适合做舰载机,认为沈阳飞机设计研究所研制的歼-31 更适合。

实际上这个说法本身看上去有些道理,但是真要认真分析起来,几乎每一条都属于对航空母舰和飞机毫无了解,坐在电脑前凭空臆测的产物。

在讨论中,很多人甚至引用"小鹰"级和"企业"级超过百架的载机数量来论证航空母舰需要多么巨大的载机数量,实际上这个巨大的载机数量是在喷气式舰载机发展早期,因为技术的限制和战术认识的局限性,因此大量装备了体型极为袖珍的A-1"天袭者"螺旋桨攻击机和A-4"天鹰"喷气式轻型攻击机,以及单发的轻型战斗机F8U,才实现的巨大载机量。在达到这个数量高峰后,美国海军迅速的用A-7"海盗"中型攻击机、A-6"复仇者"双发重型攻击机和双发的F-4"鬼怪"重型战斗机替换了以上机种,载机数量迅速跌落到75 架左右,到冷战结束以后舰载机数量更是进一步的下跌到了目前"尼米兹"级核动力航空母舰的57 架固定翼飞机、12 架直升机的规模。

实际上用数量减少的重型飞机替换数量庞大的轻型飞机,是长期以来航空母舰舰载机部队发展的潮流,航空母舰甲板面积狭小,出动能力低,飞机着舰作业更是需要挤占大量的甲板空间和人力资源,因此必须要每一架次出动的飞机发挥最大的效力,而不是靠大量飞机来淹没天空。一架30 吨级重型飞机起飞消耗的资源和一架10 吨级小型飞机尺寸差异不超过50%,而战斗力差距可能超过1000%,尽可能地使用高性能飞机,是提高航母作战效能的关键。当前和未来美国的主力舰载机F/A-18E/FF-35C,空重分别达到了14.4 吨和15.8 吨,都属于绝对意义上的重型战斗机,规划中的下一代舰载战斗机,其吨位更是巨大。

认为歼-20 重量太大和认为鸭翼飞机不适合做舰载机基本上是同一个系列的观点,实际上这个观点本身就把重量视作是舰载机使用的唯一因素,本末倒置严重。飞机的起降对航空母舰的限制主要是重量和速度两个条件共同作用的结果,速度比重量更为重要,F-14A 战斗机70700 磅(32 吨)状态起飞速度130 海里/ 小时左右,而F/A-18E/F 战斗机在65600 磅(29.8)吨状态起飞速度165 海里/ 小时,看起来F/A-18E/F 重量更小,但是实际上其动能为140MJ,远高于F-14A 需要的92MJC13-1 弹射器1000PSI 压力状态下可以将70000 磅的物体加速到137 海里/ 小时,也就是说F-14AC13-1弹射器上甚至可以不用借助甲板风就可以重载起飞,但是C13-1只能将32000 磅的物体加速到165 海里/ 小时,也就是说F/A-18E/F 不具备无风状态起飞的能力,而65000 磅的物体,C13-1 只能加速到146 海里/ 小时,也就是说F/A-18E/F 必须借助20海里/ 小时的甲板风才能起飞。这实际上就是因为飞机的增升能力差异而引起的性能差距,较小的飞机在确保了足够的设备装载后缺乏多余的重量来安装大型机翼,必然引起起降速度提升,反而更不容易在航空母舰上使用。

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(近期出现在网络上的歼-20 舰载版方案及机库搭载情况论文配图)

-20 这样的鸭翼飞机,由于采用了放宽静不安定度的设计,以及鸭翼带来的抬头力矩,其起降性能较之常规布局,只会更加优秀。20 世纪70 年代瑞典萨博公司研制的JA-37 战斗机,采用带后缘襟翼的固定鸭翼,在保证静稳定度的情况下,就轻松的实现了高速公路400米距离起飞能力,法国"阵风"M 战斗机也拥有同级战斗机中最优秀的起降性能,具有高推重比、放宽静稳定度的情况下,歼-20 的起降性能必然比苏-33/ -15 更加优秀,甚至可能接近F-14 的级别,在这样的情况下,与其他飞机的重量差距根本就可以说是不值一提的一件事。而且歼-20 作为鸭翼飞机,上舰改造带来的重量增幅远比其他飞机小,相对于苏-33/-15 需要额外增加一对前翼的重量,歼-20 只需要对结构进行加强,加装折叠系统就可以满足需求,重量增幅很可能控制在8% 以内,重量大致上与苏-33/ -15 相仿,并不存在太重难以操作的问题。

而歼-31 被认为是重量小,起降容易的中型舰载机,实际上这也是一种逻辑上的误区,歼-31 的机翼面积较小,如果要作为舰载机使用则必须要换用大型机翼,如F-35A F-35C这样的巨变是必然的,这样的情况下,其作为常规布局飞机,较大的重量增幅使得其相对于歼-20 的重量优势明显缩小,起降性能劣势进一步放大,本身飞行性能和作战能力的劣势在重量暴涨后更加明显。本身采用两台RD-93 发动机就使得该型机的能量特性极差,在上舰改造完成后,其爬升- 加速性能将可能更加急剧恶化,难以满足较低限度作战能力要求。

当然,根据某些说法,歼-31 仅仅是一款验证机,而沈阳飞机设计研究所的四代舰载机方案是在其基础上放大到歼-20 的级别,进度极快,可以压倒已经广泛试飞的歼-20 衍生出舰载机的方案。以中国海军航空兵较小的装备规模,自行研制和装备一款基于先进技术的正式版四代战斗机,其巨大的成本压力恐怕不是中国海军可以承担的。

-20 作为一款大型战斗机,本身具有优秀的飞行性能,是当前最适合使用的大型舰载机平台,在更换我国自行研制的涡扇-15 大推力涡轮风扇发动机后,其可以成为世界上第二种具有完整的4S 特性的第四代战斗机,其基础上衍生的舰载战斗机对于F-35C F-35B 有巨大的性能优势,在相对较小的投入基础上,很可能成为打破美国对于海上制空权垄断的重剑。

(邓肯 著)

 

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