關於中國殲20氣動性能的淺析！

zt

（1）J-20整體氣動布局特色

有關J-20的氣動分析在去年是個熱點，各路人馬都七七八八分析了不少，但是實話說當時J-20的照片和視頻都不多，所以在熱潮中分析的東西，現在回頭來看，似乎總感覺欠缺了點什麽。所以個人還是把最近所看到和想過的東西談談。

就J-20的整體氣動布局而言，其本質上還是以宋老的《一種小展弦比高升力飛機的氣動布局研究》為基礎的，隻不過當年所談是機腹進氣道而不是當前的兩側進 氣道，另外當年所提到的進氣道是尖脊進氣道而不是當前的DSI進氣道，所以當年的設想的四代機時申明樣子完全讓人完全無法設想了，腹部尖脊進氣道通過”S “型向上，一個鴨式布局加後麵邊條翼，同時還是升力體，總之不好設想。好在後來611在FC-1上驗證了DSI進氣道，所以後來我們就看到了采用兩側 DSI進氣道、具有升力體特征的、邊條翼和上反鴨式布局的J-20。J-20正是靠這些氣動布局，要達到氣動方麵的超音速巡航和兼顧超音速和亞音速機動性的要求。

但是，仔細看J-20的整個氣動設計後，發現J-20的氣動設計中，向超音速巡航方麵側重的非常多，個人估計可能與我們的發動機一直是短板有關吧。就傾向 超音速氣動方麵來看，有以下措施：後掠角比F-22大，與YF-22的48度後掠角相當，機翼比較薄，對降低超音速波阻有利，翼展是三種機型中最小的，這些都對降低超音速阻力有利；就是前麵圖中所看到的J-20的比例偏大，即便如此其機翼麵積比F-22還是要小，當然更比不上T-50那個巨大的中央升力體 和機翼在一起的麵積，這造成翼載可能是三種機型中最大的，但高翼載本身對超音速飛行也是有利的，譬如F-104的翼載就比較高，但是其超音速性能的確不錯；采用了窄間距發動機，較小的垂直尾翼，對降低超音速後體阻力也是有利的；而更為重要的整個飛機的長細比則是三種飛機中最大的，對降低超音速阻力也是有 利的，近乎遠距的鴨式布局，本身對超音速降低波阻有利，而邊條翼和鴨式布局以及較大後掠角本身對超音速氣動焦點後移量的降低是有幫助，對超音速配平阻力也是有利的。總之，從J-20的整個氣動布局而言，實在是處處都能夠看到對超音速巡航所做的努力，估計J-20即便發動機推力不是很大可能都可以保證超音速 巡航。但是，這種情況下，亞音速性能該如何辦呢？這就要從升力體機身、鴨式布局和邊條翼布局以及更明顯的機翼扭轉來看了。

對於J-20的升力體特征，很多人覺得從正麵看似乎進氣道上方很平，不像F-22那樣進氣道上方有個明顯向上的弧度，感覺說升力體有點牽強，另外從側麵看 J-20的機身背部也比較平直，不像F-22那樣顯得有凸有凹，個人覺得大家在看J-20時，還是在心裏要有一個三維的形象，因為從側麵看時，J-20顯 得比較平的地方是因為其背部座艙後部相當有個脊背，這個脊背比較平直，而進氣道上麵兩側往後，還是有一個弧度，這點可以從側正麵和後部視圖上可以看出的確 是有一個弧度的，隻不過J-20的機身較長，所以這個弧度看上去不明顯。注意看下圖，正麵圖上看明顯能看到進氣道後部比進氣道上邊高，而從後部則能發現 J-20背部呈一個弧度且看不到進氣道前麵，這是因為後麵弧度比進氣道上表麵高，從另外一個角度證明其是升力體設計。

在亞音速性能上，主翼後掠角也是一個非常關鍵的數據，一般來說亞音速性能較好的就是中等後掠角，47-48度後路角基本上偏中等後掠角的上限，但仍然屬於這個範圍。機翼的扭轉在提高飛機的亞音速性能方麵也很有幫助，因為較大後掠角機翼通常會造成機翼的誘導阻力大，而機翼扭轉改變了翼稍的迎角，這使得由於較大後掠角帶來的機翼升力增加和分離增加的特點得以減低，所以機翼扭轉本身就是降低誘導阻力和提高大迎角性能的典型做法，在F-15上、J-10上、F- 22上都有采用，隻不過J-20和J-10的機翼扭轉看上去比較明顯，這與這兩種飛機的展弦比可能不大都有關係。

J-20的整體布局與傳統的鴨式布局不同，因為傳統的上置鴨翼和大後掠機翼可以有所謂的氣動耦合，J-20的布局顯然也是利用渦升力，但這個渦升力是融合了邊條翼的渦升力效果，比近距耦合鴨翼更進一步；實話說傳統邊條的渦升力在中小迎角比鴨翼更有效，因為傳統邊條是細長機翼，後掠角都在70度以上，其本身就非常容易讓氣流繞過機翼來形成渦，而鴨翼的後掠角不會這樣大，尤其是鴨式布局也要滿足所謂平行原理來降低雷達發射，這也就是為什麽我們看到大多數的鴨式 布局的飛行中不像邊條翼布局那麽更容易看見渦的緣故；另外，傳統的鴨式布局當迎角增大後，這個時候通常需要降低鴨翼迎角來避免迎角進一步增大，這樣鴨翼迎角減小後鴨翼渦的強度就會降低，而大迎角時一個非常重要的事情是希望能夠有足夠的低頭力矩，對於鴨式布局低頭力矩靠鴨翼卸載或者鴨翼下偏來達到，在這種情況下，鴨翼的渦很有可能不會繼續掃過機翼，而機翼在沒有鴨翼的渦流後就會失速，估計正是這個原因使得鴨式布局的可用大迎角並不是很大，譬如J-20的迎角限製在26度，個人這個看法未必正確，但或多或少能夠說明為什麽有人說鴨式布局未必比邊條翼布局大迎角性能更好的原因吧。J-20布局中時鴨式邊條翼布 局，能夠讓飛機在大迎角飛行是減小鴨翼迎角對機翼上的渦升力並不造成太大影響，這使得其大迎角飛行性能得到提升。J-20的鴨翼采用的是與主翼根部在同一 平麵布置，為了讓鴨翼渦在機翼上與機翼形成有利幹擾，所以鴨翼上反使得鴨翼翼稍高於機翼，從而讓鴨翼渦會高於主翼，同時讓主翼下反，使得其達到類似鴨翼上 置的效果。

J-20肯定采用了放寬靜穩定性的技術，而鴨式布局放寬靜穩定性其鴨翼到底產生什麽勝利，曾經論壇上為此爭論不休，甚至有人認為鴨式布局的靜不穩定與常規布局的靜不穩定正好相反，鴨翼要是負升力，通過我們前麵的分析可知，顯然鴨式布局靜不穩定並不一定是讓重心在機翼的升力中心之後，所以此時鴨翼還是正升 力。我們再看J-20的重心和機翼的升力中心，就會發現J-20的重心與機翼的升力中心相比比F-22和T-50更靠前，這也充分證明J-20在放寬靜穩 定情況下鴨翼是正升力。當然，J-20的靜不穩定性不會很高，因為J-20的鴨式布局的大迎角時低頭飛行主要靠卸載方式，也就是鴨翼不提供升力來依靠重力 來實現低頭，如果靜不穩定性太高，那麽鴨翼即便是零升力，除鴨翼以外的氣動焦點所產生的升力造成的力矩比重力力矩都大的話，飛機就無法低頭，這也是《小展 弦比》一文中所提到的放寬靜穩定性不易太高的緣故。

前麵提到J-20的機翼翼載比較大，那麽J-20在做盤旋這樣的機動動作時，靠什麽來實現盤旋所需要的大升力？F-22和T-50靠小翼載和渦升力來實 現，而J-20在渦升力方麵比F-22和T-50則更進一步，因為J-20的產生渦的地方較多，包括邊條、鴨翼和鴨翼前側麵小邊條，都能產生渦（這裏個人 沒有提三種機型的機頭渦，主要是個人對機頭渦都不是很了解），這些渦產生的長度方向和寬度方向上分布都比較廣，譬如下麵這張圖上就充分表明了這些渦的產生 地點和範圍：

如上圖所示，渦升力不光掃過機翼，還掃過升力體機身，另外鴨翼的渦旋轉範圍廣而渦核強度不高，所以鴨翼渦並沒有形成一個明顯的濕氣凝結，但可以肯定的是鴨翼的渦還是掃過了機翼，對機翼增升有幫助。

不過，鴨翼和邊條相互之間可能也有不利影響，主要是鴨翼造成的下洗氣流改變了邊條局部迎角，使得邊條局部迎角會小於機翼迎角，這在迎角不大時並不利於邊條 渦的形成，譬如下麵這張圖，機翼兩端的渦都能看出來，但邊條渦卻看不出來，而一般邊條翼布局在這種情況下邊條渦會比較明顯。（而上麵那個能夠看到邊條渦的 圖中，因為迎角較大，鴨翼相對機身下偏（大鴨翼本身還是正迎角），鴨翼雖然還有下洗，但由於迎角增大後鴨翼下洗對邊條影響減小，所以邊條的渦比較明顯。）

對於J-20的機動性來說，放寬靜穩定性是有利於提高靜穩定性，但J-20的鴨翼距離重心的距離近，且麵積不夠大，所以單純靠鴨翼操縱來實現機動性顯然有點不夠，而鴨式布局飛機通常都會利用後緣升降副翼（也有叫襟副翼）配合來實現操縱和配平，這個襟副翼和操縱麵距離重心的距離和其本身麵就都比較大，而且可 以差動，通過這種方式來提供飛行機動所需要的操縱力，具體J-20的翼麵動作可見下麵J-20視頻截圖。

J-20這些升降副翼的動作顯然不是單純隻是起到後緣襟翼的作用，內側和外側升降副翼可以單獨操作，也可以組合操作，還可以配合鴨翼操作，可以說其操作相 當複雜，通過這些複雜的操作，從而實現縱向（同時上偏或下偏產生俯仰力矩）和滾轉（左右差動）操作，這些操縱本身還可以與鴨翼配合實現縱向或滾轉操作，譬如升降副翼上偏結合鴨翼上偏實現抬機頭動作，而鴨翼的左右差動也可以與升降副翼差動一起增加滾轉速度。鴨翼與升降副翼配合還可以實現高升力，譬如在降落時鴨翼上偏產生渦，而升降副翼下偏則相當於襟翼增加升力。（見下圖）

J-20的垂尾與F-22和T-50也有較大不同，首先最大的不同在於其外形的不同，F-22和T-50的垂尾後緣都是前傾的，而J-20是後傾的，在這點上個人估計這樣設計有兩方麵的考慮，一個是大迎角時由於機翼會對垂尾遮擋，而J-20機翼後緣卻沒有像F-22和T-50那樣有個水平尾翼的缺口在水平尾翼運動時能夠讓氣流流過垂尾，所以後傾的垂尾在大迎角時會讓垂尾下部不受機翼遮擋，這樣來提供一定的大迎角航向穩定性。另外，J-20垂尾這樣設計估計與渦增升的渦流有關，在《小展弦比》一文中，提到由於渦增升在垂尾附近造成了負升力，而垂尾先後傾斜後，估計多少能夠降低一些負升力效果，另外我們還注意到，垂直尾翼可能會根據局部氣流方向來調整舵麵方向，從而讓與漩渦氣流方向一致，減小負升力效果，這點可以從上麵的J-20降落圖中可以看到，降落時垂尾都向內偏轉，基本與當地氣流方向一致。J-20的垂尾向後傾斜也增加了垂尾的作用力臂，這對航操縱上也有幫助。在航向穩定性上，J-20采用了腹鰭，看上去好像是個落後的設計，但從氣動角度來說可能是必須的，因為J-20的垂尾麵積小且在大迎角時容易被遮擋，此時腹鰭就起到了非常重要的作用，所以，很有可能未來J-20是不會取消腹鰭的。

（2）J-20的亞音速性能

J-20通過升力體和中等後掠角機翼以及機翼扭轉，降低巡航阻力，這對亞音速巡航有幫助；通過放寬靜穩定性結合鴨翼與升降副翼的配合使得操縱力矩得到保證，無論是俯仰還是滾轉速度都應該比較高（窄間距發動機布局和較小的翼展對減小轉動慣量對提高滾轉速度也有幫助）；結合鴨式邊條翼布局的大迎角高渦升力特性來增加了整個升力，這對瞬盤速度有好處，不過對於穩盤速度可能就不好說了，可能會比F-22要低，因為渦升力的升力大可能阻力也大。

J-20的大迎角主要還是通過鴨翼和邊條翼的大迎角渦升力來改善機翼上的氣流分離情況，而通過腹鰭和後掠的垂尾來確保大迎角時的航線穩定性。故其可用大迎角應該也不錯。

（3）J-20的超音速性能

J-20在超音速性能方麵可以說是做了非常多的努力：較大的機翼後掠角、最大的長細比、鴨式布局、邊條翼布局、較小的垂尾、窄間距的發動機、放寬靜穩定性和超音速氣動焦點後移較短、鴨翼配合升降副翼來實現超音速配平等，這些都有利於減低超音速巡航阻力，故其實現超音速巡航所需要的發動機推力可能是三種四代 機中最小的。鴨翼和升降副翼的總操縱力矩相當大，尤其是鴨翼在超音速飛行時的氣動操縱效率比尾翼更高，這都使得超音速機動性能得以保證。

（4）J-20的多用途能力

就J-20的重心、全機焦點和機翼的升力中心位置來看，可以說要在J-20的機翼上掛載彈藥實在是比F-22還困難，因為機身腹部像F-22那樣被彈艙門所占據，而機翼更靠後使得掛架必須向前伸出較多才能讓掛載物的重心靠近飛機的重心，這將使得機翼上的扭轉力矩偏大，掛架也偏重。

J-20還在試飛階段，在多用途方麵還是可以采取一些辦法的，譬如讓現有的彈艙深度更深來容納多種彈藥，或者將彈艙門縮小讓開中間位置或者邊緣位置，這樣可以在機身上掛載攻擊彈藥或者副油箱。

前一段時間論壇上曾經耗費較多時間討論艦載機，不少人希望J-20能夠上艦，而如果J-20能夠上艦，鑒於艦載機目前的多用途要求，如果J-20不改變彈艙布局讓可以實現更靈活的外掛，那麽即便上艦其作戰能力也會受到影響。

在外掛布局方麵倒目前為止似乎我們的飛機考慮的不多，國內研製的飛機中，外掛布局最佳的還是FC-1，其他的都比較一般。相對而言像歐洲陣風、台風、鷹獅 等雖然都是翼展較小的三角翼機翼，但他們的機翼下的掛載能力都很強，所以掛載能力並非完全說那種布局就有其不可克服的短處，而是在一開始就將多用途性納入 考慮，而在後麵拓展多功能用途時就會有很大幫助。

（5）J-20氣動分析小結

J-20的氣動設計非常重視超音速性能，個人認為這與我們長期以來的防禦性空軍有不小的關係，防禦性空軍是非常關注截擊性能的，我們在曆史上的雙25、雙26飛機、J-8飛機、J-10飛機等都對高速性能提出了要求，J-20關注超音速性能也屬正常；J-20在關注超音速性能的同時也並沒有放棄對亞音速性 能的要求，中等後掠角帶扭轉的機翼和鴨式邊條翼升力體氣動布局都在追求提高亞音速升力並降低阻力，提高大迎角性能；而總力矩較大的鴨翼和升降副翼共同操縱 使得亞音速和超音速機動性都有好處。

J-20在多用途方麵的確因為機翼靠後而不適合在機翼上掛載，而通過改變彈艙布置可以在機身腹部讓出一定位置來便於掛載。

四、後記與小結

一直以來對四代機的氣動設計都感到著迷，但真正囉囉嗦嗦寫完這些東西後發現還隻是接觸了一點皮毛，所以前麵寫的東西肯定有不少錯誤。

而在對這三種四代機的氣動設計進行考慮前，最早隻是為了搞明白到底J-20的氣動設計如何，其中就涉及到一個非常重要的問題，就是J-20的機動性到底如何，因為有人曾經在《輝煌背後的隱憂》中提到擔心J-20的機動性，而機動性則與氣動焦點和操縱麵布置有關，而在論壇上也有人說鴨式布局靜不穩定時鴨翼提供負升力，這就要求必須搞明白什麽是靜穩定和靜不穩定性，所以，當在了解焦點、靜穩定性等概念後，回頭再看J-20的機動性以及F-22和T-50的氣動 設計時就有了更多認識，所以就越寫越多。

現在回頭看三種四代機的氣動，可以說F-22有點像F-15對三代機一樣似乎形成了一個標杆，在F-22問世的那個時候可以說是一個開創四代機做探索的時候，同時在隱形設計方麵也是一個新的探索，F-22選擇常規布局顯然風險更低，而老美的基礎工業的先進使得其能夠采用對降低阻力和提高升力非常有好處的長 方形矢量噴管，同時其材料和加工工藝上的先進使得其在飛機的重量上也可以控製的比較理想，這樣F-22就不必為超音速巡航和性能付出太多，進而減小了機翼後掠角增加翼展來確保亞音速性能以及航程，而在機動性方麵則通過力臂較長的尾翼來實現，並沒有采用後來兩種四代機所采用的全動垂尾。

對於俄羅斯和中國而言，如果造一個俄羅斯或者中國版本的F-22，由於材料和發動機的差距，這樣的F-22造出來其作戰能力肯定不如F-22，所以單純的模仿是沒有出路的。各自都得想各自的招。

俄羅斯所想的招離不開蘇霍伊的曆史，所以繼承了SU-27的升力體設計並進行了改進，這種思路完全正常，因為如果不這樣搞成其他氣動布局對俄羅斯來說，可能風險更大，而這種更熟悉的氣動布局則可以發揮其特長，采用了獨具特色的可動邊條前緣，不惜采用可調節進氣道等措施來確保整體氣動性能，而在飛行控製上由於控製麵最多而複雜。不過T-50的腹部隱形設計與F-22和J-20相比顯得考慮較少，包括直通進氣道和進氣道到發動機下側麵與機翼或多或少有點角反射 器嫌疑。不過T-50的一大優勢是其有利於多用途化和實現外掛，加上較寬的主起落架間距都使得其更容易上艦。所以未來俄羅斯的戰鬥攻擊主力可能都是T- 50了。

中國搞四代機也不能脫離自己所熟悉的氣動布局，像俄羅斯那樣搞升力體布局顯然比搞自己比較熟悉的鴨式布局風險要大，而由於發動機的長期不給力且要求超音速巡航，使得整個氣動設計偏向超音速，如果在發動機能夠達到類似F-22的F-119的水平，其超音速性能估計又可能超過F-22和T-50。當然J-20 也沒有放棄亞音速性能的追求，所以采用了比F-22和T-50都要複雜的渦升力，這也對飛行控製係統提出了挑戰。

綜合這三種飛機的氣動來看，就好像在三代機時代的F-15、SU-27和J-10的升級版，F-22的氣動最簡潔，但材料和發動機的領先使得其氣動性能並不差，同時還確保了隱形性能。T-50和J-20在材料和發動機上的差距使得其在氣動上去努力，而希望通過氣動努力縮小差距甚至是建立自己的優勢，但從另 外一個方麵也多少帶來一些缺點，在隱形性能方麵T-50和J-20估計都與F-22有差距，而T-50的腹部隱形更是一般，J-20則為了追求超音速性能 而多少在亞音速性能上付出了點代價。所以，F-22雖然最早問世，但其性能依然位居前列甚至還保持不少方麵的領先，後兩者極力追趕並努力營造屬於自己的優勢。





zt