歼20是否适合新航母?世界上不可能十全十美了

自从新一代战机歼-20和FC-31技术验证机曝光以来,关于两者谁更适合上舰的争论就没有平息过,在网曝003型航母正在飞速建造后,关于新一代舰载机的讨论日趋白热化,本文就将从舰载机最核心的一项能力——起降能力角度来谈谈歼-20是否适合作为舰载机登上新航母。

首先,谈能否上舰其实就是变相地谈舰载机的核心要求——起降性能。因为航母作为一个移动的海上机场,甲板长度仅有三百多米,起降特别是降落难度比跑道长度动辄一两千/两三千米的陆地机场来格外困难,因此,战斗机要上舰,首先必须考量起降性能。

而在003型航母使用电磁弹射装置板上钉钉的情况下,实际上电磁弹射已经能够很好解决舰载战斗机短距起飞的难题,这样一来,重点就落在降落性能上。

第一,歼-20作为重型机,着舰速度严格受限

这就要从飞机着舰进近说起,着舰进近的舰载机基本以恒定的迎角(一般小于10度)和下滑道坡度(3至5度)径直向拦阻索飞去,由于航母拦阻系统承受的能量总会有上限,在这个限制条件下,飞机必须将总的能量控制在较低水平。根据动能公式,动能和质量以及速度的平方成正比,这其实说明舰载机对于着舰速度更加敏感,但是着舰质量轻的飞机在着舰速度限制方面天然比重型飞机有优势,重型飞机往往要做出一些激进的增升改进方能适配。比如F-14就利用可变后掠翼来提升飞机的低亚音速升阻比,同时采用了前后缘襟翼使得近似平直的机翼翼型剖面尽可能弯曲,获得额外的升力;苏-33则一改苏-27系列的靠近翼根的一体化襟副翼设计,采用了两段后缘襟翼(而且还是开缝襟翼)加外侧副翼的措施增强低速状态的升力和可操作性,为了配平襟翼全开带来的低头力矩,苏-33在主翼前增加了一对儿小前翼辅助低速状态的配平,帮助飞机抬头,苏-33还为此牺牲了不少航程和机动性能。

看到这我们可以总结,舰载机必须有足够的升力以最小化着舰速度,同时必须有良好的操纵性来应对可能的大风天气和舰尾乱流。

苏-33标志性的两段式襟翼设计,是为了增强飞机的起降性能

根据著名的升力公式,我们知道升力和飞行速度的平方、升力系数及机翼面积成正比。

首先是速度。飞机的升力与速度的二次方成正比,所以只要允许着舰速度大一点,升力立刻就会提高,因此不能看着印度小展弦比的轻型机LCA光辉和中型机法国“阵风”成功着舰了,就想当然地以为重型歼-20也能轻松搞定,因为光辉可以提升着舰速度,而歼-20速度必须严格控制。同等的拦阻系统承受能力上限,重型机着舰反而要求着舰速度更低,这是一种相当矛盾的需求,既然速度高不起来,就必须从升力系数和翼面积上做文章。

第二,鸭式布局在起降性能方面并无优势

其次,再来谈升力系数,而且是舰载机常用的10度以下小迎角区间升力系数。可能一听到这个命题,就会有人说,增大升力系数正好使用鸭翼,宋文骢院士发表的文章里比较过有鸭翼和无鸭翼的升力系数,鸭式布局任何迎角下都比无鸭翼强。但是事实不是这样的想当然,宋老文章中的对比是在相同主翼形态下,不同迎角下鸭翼带来的升力系数增益。大家注意,对比的前提是主翼的形态参数相同,如果不同,那就没有可比性了,恰好鸭式布局和常规布局主翼的形态大不相同,鸭翼多配合三角翼,常规布局则多采用后掠翼、梯形翼和F-22那样的蝶形翼。拿着宋老未放襟翼的无鸭翼升力系数数据,否定可以依靠放襟翼大幅度增升的常规布局,显然是驴唇不对马嘴。有数据显示常规布局飞机放襟翼后,主翼升力系数可以提高60%-140%,这个收益还是要远高于低速小迎角下鸭翼产生的涡升力,而且常规布局主翼大角度放襟翼,相当于在气动上变相提高了主翼的迎角,但是机身迎角却不变,这对舰载机是相当有益的。

同样是鸭式布局战斗机,作为中型舰载机的“阵风”M,其航母甲板起降难度与重型的歼-20不可同日而语

其实目前公开数据可以看出,鸭式布局的阵风和JAS-39鹰狮在起飞距离方面并不比常规布局的第三代战机短,甚至鹰狮还在三代机中几乎垫了底。有人又会说,鸭式布局不是公认的短距起降性能好吗?相信多半受到了萨博37“雷”的影响,该飞机为了突出短距起降能力创新性采用鸭式布局。在它诞生的年代(上世纪60年代末70年代初),战机还处于静稳定布局时代。静稳定的常规布局战机主翼的气动中心在重心之后,尾翼提供负升力配平,这就造成升力损失,超音速配平阻力加大;静稳定的鸭式布局鸭翼却正好提供正升力配平,不但没损失反而有助益,这样鸭式布局在那个时代才有了所谓短距起降的优势。而随着放宽静稳定技术在第三代战机中的普及,战机主翼的气动中心可以和重心靠得很近甚至在重心之前,常规布局战机的负升力配平问题得到了缓解,静不稳定布局下,尾翼甚至也可以正升力配平,因此鸭式布局在起飞距离上自然就看不出什么优势了。

第三,歼-20的气动优化区间主要在超声速方面

既然鸭翼在短距起降能力上作用有限,有人就会说,歼-20还有边条翼这个涡升力利器可以使用啊。没错,歼-20开创了气动设计的先河,将鸭翼和边条翼整合,可以将机头涡、进气道唇口涡、鸭翼涡、边条涡和前缘襟翼涡整合成一个超强的增升涡系,这其中边条实际上发挥了最大的作用,正是这个小边条将本来到主翼上方减弱的鸭翼涡再度加强,形成有利耦合,达成了一加一大于二的效果。这是前无古人的创举,但是大家还是忽略了条件,这个增升系统需要在中等亚音速(大致在0.3-0.65Ma左右 )大迎角条件下发才能挥最大作用,低速(0.25Ma以下)小迎角(小于10度)的效率依旧比不过大幅度改变翼型弯曲度的前后缘襟翼组合。

最后是机翼的设计和面积方面。歼-20注重的是超音速性能,同时很好地兼顾亚跨音速段的机动能力,所以我们也看到歼-20的鸭翼距离主翼的距离超过阵风、歼-10和鹰狮,就是为了方便超音速段的配平,大幅度提升超音速状态的操控性,降低超音速配平阻力。但是相比台风的鸭翼位置,歼-20的鸭翼还是要靠后一些,一方面为了亚音速段的拉涡耦合增升,另一方面也因为鸭翼面积更大,需要靠后布置,让鸭翼在机头激波的内侧来减小超音速波阻。从歼-20的主翼翼型来看,由于超音速巡航是其设计的目标,为了减小波阻,机翼很薄,同时也为了减小波阻和浸润面积,翼面积和翼展同F-22和苏-57比也并不大,由升力体船型机身贡献额外的升力,这完全符合歼-20的设计取向。若放大机翼面积,确实可以减小迎角,降低着舰速度,但是增大了浸润面积提升了摩擦阻力,进一步破坏面积率增大波阻,这都是与歼-20追求超音速性能的设计取向背道而驰。

萨博-37“雷”作为静稳定设计的战斗机,其经验,不能在现代舰载机上照搬

综上所述,歼-20在着舰的超低速区域是缺乏高效率增升手段的。

结语

世界上不可能存在十全十美的事物,歼-20追求高速能力,低速状态就必然会有所损失,采用鸭式布局,那么常规布局的甜头就可能尝不到。当然,歼-20是否上舰,还必须综合考虑其全动垂尾增益或者是否加装增升襟翼(分段式襟翼)等措施。以上所说仅从当前气动角度考虑,谨以此文抛砖引玉,希望能给大家提供一些有益的参考。

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