zt 如何看照片識飛機性能(組圖)

《兵器知識》　2006年第5期     朱寶鎏

 
看照片識飛機性能

要了解一架新作戰飛機的特點首先是看它的外形。重點觀察機翼幾何特點、安裝位置,有沒有尾翼,尾翼與機翼的相對位置,座艙蓋的大小形狀。還有發動機的安裝位置,進氣口的位置和大小,進氣口唇口的特點,有沒有可調節的整流錐或整流板,尾噴口的外形數量等。從這些特征通常可以分析出這種飛機的設計重點、主要任務和基本性能。如果不能看到真飛機,比較逼真的模型或者照片,最好是不同角度拍的照片,也很有參考價值。

現在不妨以題圖中的這架飛機為例,來作些許分析。

首先從座艙大小和飛機外形可以看到這是一種單座單發動機飛機,尺寸和起飛重量並不太大,因為座艙相對機身較大、機輪相對精巧。它應是中型飛機而不是像殲7那樣的小飛機,也不是蘇-27那樣的大飛機。它應該是戰鬥機(機身腹部前輪艙左側似有一門航炮,機翼還掛有空空導彈)。其次是該飛機用三角形機翼鴨式布局。鴨翼是全動式,表明它用了電傳操縱甚至是主動控製技術。飛機的鴨翼相當靠近機翼,可利用近距耦合的作用,而且飛機一定會放寬安定度以提高其機動能力。
 
近年來翼身融合設計非常流行,該技術可以擴大機身內部容積、減輕機體重量、減少雷達散射截麵(RCS)。而從外形看,采用該技術的飛機機身和機翼之間的過渡應很圓滑,即翼身之間不是簡單的小整流片,而是從機身完整地“順”到機翼上去。但這隻能從飛機前方或側前方的照片看出來。

照片顯示該飛機機身中部略有收縮,很明顯是按照“麵積律”設計的。麵積律設計有兩大類,一類是跨音速麵積律,即以飛機從頭到尾垂直於縱軸的各個總橫切麵麵積畫出曲線,該曲線應該是接近圓滑的流線型,當中不應有明顯“鼓包”或凹下之處。其好處是使飛機的跨音速阻力小,從高亞音速可以比較容易地增速到超音速。但達到超音速後作用就不明顯了。另一做法是根據設計的超音速M數對應的斜激波方向作全機切麵,這些切麵麵積沿縱軸分布應是流線形的。這種設計稱“超音速麵積律”,有利於飛機在設計時預定M數。當然,單從照片甚至在真飛機麵前也不易分清楚用的是哪一類麵積律。
 
後機身下方有兩片大腹鰭,從照片上看好像不是直接裝在機身上,而是固定在機身兩側的小邊條上,稍向外傾斜,估計約30°。這樣做一方麵可增大擦尾角,即可用大一些迎角著陸而不會使尾部或腹鰭碰觸地麵,此外還對隱身有利,降低側麵RCS。超音速飛機在M數約2.0左右時方向安定性都比較緊張。用這樣大的腹鰭可說明兩點,一是該機最大飛行M數較大,其次是改出螺旋性能會較好。至於後機身兩側的小邊條可能對全機安定性調整有利,特別是可改善大迎角的改出性能。美國F-16飛機就有這樣的邊條,不過比較大。照片中飛機的腹鰭直接裝在邊條外側,起翼尖擋板的作用,相當於增加邊條的展弦比。這可能是隻需要較小的邊條麵積的原因。

進氣口是長方形的所謂二維進氣口,似有可調節進氣板。這種進氣口效率比較高,唇口很尖,表明這種飛機設計最大飛行M數應大於1.8,否則進氣口不需要那麽複雜。從垂尾前緣非金屬材料和頂端的形狀以及機身外露天線等還可推測出它的一些電子設備。機身的非金屬頭錐表明內有火控雷達天線。以座艙內露出的駕駛員頭部尺寸,可以估量出機頭能安裝的雷達天線的大小,這樣雷達的性能也就有個範圍,如果天線太小,發現距離肯定遠不了。照片中的飛機可能是在起飛狀態,所以鴨翼用正迎角產生抬頭力矩,幫助飛機達到大迎角,這樣它的起降性能比較好。如果是著陸狀態,鴨翼和機翼前緣襟翼應偏轉更大角度,機翼後緣升降副翼也應向下偏。

這裏隻是簡單談一些從照片識別飛機性能的知識,不一定準確。如果能結合正式發表的飛機性能數據就會弄清楚了。一般來說,多比較幾種型號飛機,多看雜誌上發表的飛機解剖圖和照片,以後看飛機照片時能發現的東西就多了。

為什麽鴨式布局流行

現代很多新型作戰飛機都采用鴨式布局,照片中這架也不例外,下麵從一般原理上解釋一下為什麽新型飛機多用鴨式布局。

經過幾十年的發展,現代作戰飛機的氣動布局已有很多種,例如常規布局、無尾布局、鴨式布局、飛翼布局和三翼麵布局等等。各種布局都有其特殊性和優缺點,都產生過很有名的作戰飛機(可參看《兵器知識》2005年增刊)。一般來說,在無平尾飛機的機翼前加裝小翼麵(多數可操縱)的稱為鴨式布局,而在已有水平尾翼的飛機機翼前再加水平翼麵的稱為三翼麵布局,隻有垂尾沒有平尾的稱無尾布局,連垂尾都沒有隻有機翼的稱飛翼布局。

二戰前,已有人研究將水平翼麵放在機翼前機頭兩側,又基本上恢複萊特兄弟第一架飛機的氣動布局樣式。由於早期的這架前水平翼麵布局飛機前機身較長,外形像一隻鴨子,所以稱為“鴨式”。後來的鴨式布局戰鬥機可不像鴨子,不過已經這樣稱呼就沿用下來了。它的前翼通常稱為“鴨翼”。

20世紀初,戰鬥機設計師們發現三角翼戰鬥機的優點很多,例如超音速阻力小,結構重量較輕,翼負荷小對機動有利等。但三角翼的展弦比都很小(約為2.0～2.5),升力係數隨迎角而增加的比例(即升力係數曲線的斜率)也小,在著陸迎角時升力係數就不大。而無平尾純三角翼飛機不宜用後緣襟翼(配平困難),而且在大迎角時為了平衡的緣故,還要求機翼後緣的升降舵和升降副翼上偏一些,在起落狀態時可用升力係數就更低。所以,無尾三角翼飛機(如法國“幻影”Ⅲ)的起降性能都很差,起飛著陸滑跑距離差不多要比有平尾的常規飛機長50%左右。而有水平尾翼的米格-21就可以使用襟翼,起降性能比“幻影”Ⅲ好。

無尾三角翼飛機的這個缺點直到采用電傳操縱,放寬飛機靜安定度,允許重心相對靠後以後才有所克服。例如,同樣采用無尾三角翼的“幻影”2000的起降性能就比“幻影”Ⅲ好得多。兩種飛機同樣布局(“幻影”2000進氣道兩側有一對小片,隻起渦流發生器的作用,不是鴨翼),由於前者采用電傳操縱,而且基本上中性安定,同時推重比也大,所以起飛滑跑距離比較短。

如果采用鴨式布局,配平飛機時,可利用整個前翼或前翼後緣襟翼向下偏轉,即可給出較大的抬頭力矩,同時會產生正升力,提高了飛機的總升力。這種良好的作用在大攻角機動和起飛、著陸過程中尤為明顯。

鴨式布局的前置翼麵在飛機重心之前,所起的作用是不穩定的。但是隻要飛機的重心設計合理,飛機仍可保證全機俯仰穩定,前置翼的不穩定作用可以克服。而現代飛機有電傳操縱係統,飛機采用放寬靜安定性設計,有點俯仰不安定反而有利於機動,更能發揮鴨式布局的優越性。如果用鴨翼而沒有電傳操縱,全靠飛行員操縱多種翼麵,工作負擔將會太重,效果不好還容易出事故。

但設計鴨翼布局戰鬥機時,不同戰鬥機對鴨翼的要求是不同的。後來的研究發現,前置翼麵有三種功能:改善主機翼氣流流場;產生合適的俯仰力矩以平衡或操縱飛機俯仰運動(包括克服現代戰鬥機推力矢量可能引起的力矩變化);著陸後增加飛機阻力。因此現在的鴨式布局發展成兩種類型,即近距耦合式和俯仰平衡式。但這隻是按設計鴨翼的側重點來說,並非絕對的界限分明,其作用也是並存的。
 
世界上第一種成功利用鴨翼的作戰飛機是1961年左右瑞典研製的Saab37“雷”式戰鬥機。它的鴨翼不能動,但有效地利用了旋渦係的作用。在大迎角時前翼產生強大的渦流,加強機翼的前緣渦,改善飛機大迎角狀態機翼翼麵氣流流場,增加升力,有利於飛機短距起降和機動性能的提高。這種空氣動力的相互作用稱“近距耦合”,這種氣動布局就稱為“近距耦合式布局”。由於渦流對鴨翼與機翼的距離遠近和兩翼麵的上下距離位置很敏感,必須仔細設計和試驗來決定其相對位置,否則作用不大或甚至有害。
 
如果前置翼麵與大後掠角機翼相對位置合適,在大升力(大迎角)時前置翼麵產生的脫體渦係正好經過後麵的主翼麵。在這種情況下,前置翼麵所產生的旋渦係會改善主翼麵上的壓力分布,有可能使升力增大20%～30%。這種渦流同時作用於垂尾,得到良好的橫側穩定性。例如,有鴨翼的Saab37最大配平升力係數要比沒有鴨翼的Saab35“龍”式戰鬥機大50%。前者是近距耦合式的典型。

 
法國的“幻影”Ⅲ戰鬥機曾有一種改型,在座艙下的機身兩側加裝了一對麵積不大,但展弦比較大有下反角的前翼,像八字胡須,試驗後效果很好。後來,由於結構上改起來比較複雜,加上當時飛機沒有電傳操縱係統,使用起來也有困難,因此沒有批生產。而法國的“幻影”4000(沒有投產)、“陣風”則是近距耦合式,鴨翼完全可以操縱。

後來的新式鴨翼戰鬥機主要利用其第二種功能,鴨翼為可操縱。例如英、德、西、意合作的“台風”,俄羅斯的米格1.44和瑞典的JAS-39“鷹獅”等。這些飛機的鴨翼離機翼較遠,主要用來改善飛機的敏捷性,克服三角翼的缺點。它在飛行中偏轉的角度完全由計算機通過電傳操縱係統視情況自動控製。當飛機從亞音速向超音速過渡時,鴨翼可減少飛機焦點前移(否則會使安定性猛增不利於機動),減少配平阻力和宜於進行超音速空戰。此外,在著陸接地後的滑行過程中,若想讓鴨翼起減速板的作用,可讓其偏轉一個很大的負角(後緣向上大於60°)。

為提高格鬥機動性,將來戰鬥機可能采用推力矢量發動機,尾噴口能根據需要偏轉15°～20°但這種狀態除了增加飛機的機動能力外,還會產生一定的俯仰力矩,使飛機平衡困難。有鴨翼的飛機則可以較好地解決這個問題。

理論和實踐都已經證明,鴨式布局特別適合與三角形機翼相配合。自從這種布局有關的技術問題為研製人員所掌握後,戰鬥機已經很少再采用無尾布局了。所以現代新型戰鬥機采用鴨式布局是很有道理的,也為將來采用推力矢量技術,提高格鬥機動性做好準備。

現在的問題是,為什麽美國的兩種最新戰鬥機F-22和F-35都不用鴨式布局呢?

現代戰鬥機有三種時髦的設計。一是前述的鴨式布局,包括鴨式三角翼和鴨式前掠翼。第三種就是美國一慣采用的大邊條翼。前掠翼在美國和俄羅斯都有驗證機,如X-29和S-37(S是工廠研製編號,正式編號蘇-47)。這種機翼在氣動力上是有好處的,升阻比大、格鬥機動性好、亞音速航程較遠、抗失速偏離能力強,對起降性能也有利。但機翼要求剛性特別好,否則會產生氣動彈性發散,即不利的氣動扭轉。現在用複合材料特別剪裁工藝製造機翼才能滿足抗扭要求。而這樣的機翼抗損壞性和戰時修複性較差。美國試飛完X-29後就對此種設計不再感興趣。至於俄羅斯下一代新戰鬥機是否用這種布局還不清楚。

美國從F-5、F-16開始即很欣賞大邊條翼(見《兵器知識》2005年第2期),這種機翼加常規尾翼對機動性,特別是大迎角機動性很有好處,垂尾可以傾斜以利隱身。而且美國對這種布局設計已經很有經驗,F/A-18也是用大邊條翼。由於鴨翼對隱身性能不利,F-22和F-35對隱身能力的要求又放在很多其它要求之前,顯然用鴨翼不大合適。

飛機是一種綜合平衡的高科技產品,不同總設計師各有不同觀點。不管黑貓、白貓,能抓住耗子的就是好貓,飛機布局似乎也是這樣。