聊聊鶻鷹(FC-31)的氣動和定位_風聞
TSQ-2018-12-25 00:52
對於鶻鷹,網絡上常見的一句話就是氣動平庸,或許在一些人心目中常規佈局已經與平庸畫上了等號,在不少網民心目中,鴨式佈局被推倒很高位置,所以得出常規佈局如何如何,就見怪不怪了。那麼,氣動到底應該怎麼衡量,鶻鷹的氣動到底如何,鶻鷹到底如何定位,還是先分析分析吧。
一、氣動設計分析
氣動內容涉及很多,那麼應該從哪裏着手?套用方寶瑞主編的《飛機氣動佈局設計》中的關於機翼設計在氣動的重要程度論述(見下圖),還是從機翼着手來看:

(上圖)機翼設計是氣動佈局的一個重要問題
(1)機翼設計分析
機翼的設計涉及到兩方面,一個是翼形(機翼的形狀),一個是翼型(機翼剖面形狀),這兩者對機翼都有很大影響,所以這兩方面內容都簡單看一下。先看翼形,即機翼的外部幾何形狀。
眾所周知F-35的機翼前緣後掠角是35°,南航的一個碩士論文中提到F-35的機翼後緣前掠15°,原則上這種外觀直接能測量的數據應該不會有太大錯誤。鶻鷹對應數據是多大呢?由於沒有鶻鷹2.0的非常正的俯視圖或者仰視圖,在2016年本人購買了一個鶻鷹2.0模型,可以在模型上測量。測量結果是:機翼前緣後掠角40°,後緣前掠15°。

(上圖)在機翼上用繩子連接左右翼稍,畫下垂直機身軸線的線條,用量角器測量。
鶻鷹公佈翼展示11.5米,比F-35的10.8米大0.7米,加上機翼後掠角大,鶻鷹的機翼根部弦長久大於F-35,總體機翼面積就更大。這樣帶來的結果是:單純機翼氣動來説,翼載荷鶻鷹小於F-35,超音速阻力鶻鷹機翼也有可能小於F-35。
我們接着看翼型,翼型是機翼剖面,這個很難直接看到,但是仍然可以根據製造和前緣襟翼下偏看個大概。先看前緣襟翼下偏看到的機翼前緣剖面:

(上圖)襟翼下偏露出機翼根部前緣厚度
從上面圖可以看出,F-35機翼最厚,鶻鷹稍薄,F-16最薄。但是需要注意的是,F-16那個位置是機翼和邊條過渡區域,看到部分是對邊條的切線,所以很尖,下面這張圖裝配圖能夠看到F-16的機翼剖面。

(上圖)F-16的機翼剖面
F-16的機翼算是NACA64系列,根據方寶瑞書中所敍述,相對厚度是4%。實際圖上看機翼厚度的確不厚,但這個厚度還是能夠掛載幾噸彈藥或者副油箱,所以很多軍迷擔心的SU57中央升力體強度如何如何,可以説是有點杞人憂天了。
NACA64屬於所謂層流翼型,很多戰鬥機使用,但實際上都不是直接用NACA64,都會有修形。另外現在計算流體力學發展,翼型可以根據壓力分佈需要來進行設計,不再是單純的經驗。另外還有就是翼型涉及到飛機性能,所以一些翼型數據不再公開,只能用以前的翼型來簡單推斷對性能的影響。南航碩士論文中提到F-35的翼型也是NACA64系列,不過機翼相對厚度是6%,可以説相對厚度比F-16高了50%,看圖的確F-35機翼相對厚度較厚。


F-35機翼厚是有原因的,因為F-35B型號的存在,使得F-35的機長較短,讓彈艙和發動機重疊,增加了機身中部截面,起落架都得安排在機翼下,而F-35B還需要從發動機引氣在垂直降落時進行左右平衡,發動機引氣管就很粗,噴氣口還在起落架外側,而引氣管道要穿過機翼,機翼需要一定厚度來保證結構強度。

(上圖)注意看F-35B從發動機引氣通過從機翼穿過向下噴實現左右平衡

(上圖)F-35B從發動機引氣管道很粗,管道上下還得佈置承力件來保證強度,機翼厚度就得厚
F-35B的機翼下噴口位置弦長大約4.2米(從圖上粗略測),4.2米的6%是25.2釐米,容納噴口有點緊張,注意看F-35B的噴口周邊有些稍稍向下凸出機翼下表面,説明這個厚度還是能夠容納管道的。

(上圖)由於噴管的存在,機翼就必須有一定的厚度
F-35機翼厚度大對F-35B也是有利的,因為機翼厚度大後,亞音速同樣面積機翼升力就大,這樣機翼面積可以做小,能夠降低一定的結構重量,譬如AV-8鷂式戰鬥機的機翼就厚。另外機翼厚也便於設置機翼油箱,F-35希望有大內油,部分燃油就裝到機翼中。
鶻鷹則和F-35有比較大區別,沒有看到鶻鷹機翼的裝配圖,所以厚度只能通過機翼側面來看,下圖能夠看出明顯比F-35要薄:

(上圖)鶻鷹機翼側面看肯定比F-35要薄
鶻鷹沒有F-35B那樣的要求在機翼內佈置噴氣管道,所以有條件薄一些。另外鶻鷹將起落架收起到機身側面空間,機翼下面非常平整,沒有凸起物,所以可以讓厚度薄一些。

(上圖)可以看出鶻鷹機翼下面沒有F-35的容納起落架和噴口等凸起
上面圖可以看出鶻鷹機翼相比F-35比較乾淨,但這並不表明鶻鷹機翼就非常薄。個人估計應該和F-16的機翼相對厚度差不多,估計是4%,這樣的厚度可以確保鶻鷹宣傳的機翼下掛載6噸載荷能夠實現。
綜合來看,F-35的較小機翼後掠角、較厚的機翼都不利於超音速,機翼面積小不利於空優機動。但翼載大對低空突防是有利的,厚機翼對續航能力也是有利的,也能很好滿足F-35的以攻擊為主的定位。相對而言鶻鷹設計就像F-16,機翼下都很乾淨,機翼前緣後掠相同,估計厚度也相同,所以亞音速機動性方面考慮肯定不少,比F-35更偏向空中優勢。
(2)長細比分析
我們接着再看長細比,宋老在《小展弦比》論文中提到了四代機對長細比的要求,在宋老考慮中超巡是要保證的,所以我們看到J-20的長細比應該是三種重型機中最大的。那麼鶻鷹長細比怎樣呢?長細比是長度與圓柱回轉半徑之比,我們只是粗略估計,並不需要那樣算,只要能按照同樣算法找幾種機型的這個比值就行。
這裏假設鶻鷹裝填密度和F-35、F-22相同,F-35起飛重量按照21.5噸算,F-22按照27噸算,鶻鷹按照空重12.5噸,內油7噸,載彈1噸,飛行員和其他重量0.5噸算,起飛重量是21噸(假設內油加滿,內置彈艙裝空空彈)。我們假設三種飛機的沿着機身軸線剖面都是成理想分佈,那麼將重量除以長度再開根號,折算成與回轉半徑成比例的一個數,然後這個數再與長度去對比,就能看出大概長細比。
根據上面的算法,F-22計算的結果是:15.8,F-35是:13.4,鶻鷹是15.7。計算結果和大家眼睛看到的是一致的,F-35是個胖子,而鶻鷹的長細比和F-22相當,由此可以看出鶻鷹對機動性還是有很看重的。鶻鷹的1.8馬赫最大速度比F-35的1.6馬赫大,很顯然與長細比有關。
二、鶻鷹定位分析
綜合機翼(翼型和翼形)設計和長細比來看,鶻鷹的氣動明顯在空優上的考慮,但這不等於鶻鷹對攻擊的忽視。從攻擊角度來看,四代機需要內置一定大小的彈藥,我們能夠看到鶻鷹彈艙在機身腹部佔的比例相當大,和F-22、J-20比例最大:

(上圖)鶻鷹彈艙在機身腹部佔的面積比兩款重型機都大
實際上,鶻鷹彈藥需要考慮和J-20兼容,畢竟專門給一款機型開發彈藥太費事。以前就估計過,鶻鷹的彈艙長度在4.5米左右,剩下主要看彈艙深度,不少人對鶻鷹彈艙深度狀況有懷疑,就這點進行分析。
(1)機身厚度:J-20進氣道上面幾乎是平的,厚的是機身軸線上方部位。鶻鷹進氣道上方是斜向上的,再往後還有凸起。

機身側面看鶻鷹比J-20薄,但薄的程度並不是很大,這説明可以為彈艙提供一定的深度空間。

(2)鶻鷹進氣道入口下面是成傾斜,也就是説進氣道往後向下傾斜,給彈艙提供一定深度,加上進氣道往後向上走,從而給進氣道前面留下空間,容納導彈和炸彈的彈頭部位。

(3)鶻鷹彈艙後部到發動機之間的距離與F-22彈艙到發動機之間距離相當,F-22的彈艙後部深度能夠容納500公斤炸彈,鶻鷹彈艙深度也應該可以做到。(見前面圖)
由上面分析可以看出,中航在2016年珠海航展提到內置彈艙能掛載2噸,下面這些圖並不是吹牛,而是能夠真正做到的。


根據前面機翼後掠角、前掠角、翼展的大小,個人估計鶻鷹機翼面積大約50平方米,假設正常起飛重量是21噸,翼載是大約是420kg/m²,和F-16C Block 50的12噸起飛重量時的翼載荷430kg/m²挺接近,屬於攻擊和空優兼顧。
綜合上面來説,可以明確的説鶻鷹是多用途戰鬥機,這和中航的宣傳是一致的。鶻鷹這個定位存在很大問題麼?我們看現在的三代半和新四代機,基本都是這樣的定位,因為這樣任務靈活性很大,可以根據任務需要進行靈活的切換。
最後,需要指出的是,戰場作戰是集團作戰,各種空中任務、各種攻擊任務都很多,而不僅僅是空戰任務,而即便是空戰任務,也都存在難以預知對方何時發起攻擊的問題,很多時候需要空中有飛機能進行巡邏防禦。有關重型機和中型機的相關事項,可以看本人文章:《到底應該如何來衡量重型和中型戰鬥機?》 https://user.guancha.cn/main/content?id=65029