殲20升力係數世界第一是怎麼煉成的？_風聞

來源：《兵工科技》2020年第13期

2020年7月15日，國家知識產權局公佈了第21屆中國專利獎評審結果，殲20“升力體邊條翼鴨式佈局”外觀設計專利榮獲中國專利獎外觀設計金獎。這是航空工業成都所首次獲得專利領域的國家級獎項。

著名空軍裝備專家傅前哨公開談到殲20採用了基於渦流控制技術的升力體機身、鴨翼、邊條、機翼、後機身邊條、外傾雙腹鰭和外傾全動雙垂尾的一體化非常規氣動佈局，其控制和受控渦流至少包含機頭鰭角渦流、進氣道鰭角渦流、鴨翼渦流、邊條渦流和機翼前緣渦襟翼渦流等——複雜多渦系的互相耦合，若設計水平高，控制得當，將產生巨大的升力收益和減阻效果（顯著超過使用升力體機身、邊條翼、鴨翼三者中一種或兩種時）！其升力係數不小於2.1-2.2，世界第一。而在同等設計水平時，鴨式佈局的阻力系數比常規佈局小10%左右，同時殲20機身長細比較大，截面積較小，也利於減阻。從宋文驄院士的相關論文中，利用所給相關參數推算其升阻特性，結果類似。常規佈局的F22公開升力係數為約1.7，超聲速巡航零升阻力系數約0.035：我國曾用高精度（測繪仿製）縮比模型進行風洞試驗，所測數據近似。殲20的升力、阻力系數明顯優於F22。

殲20採用了基於渦流控制技術的升力體機身、鴨翼、邊條、機翼、後機身邊條、外傾雙腹鰭和外傾全動雙垂尾

殲-20氣動佈局細節分析

常規佈局中平尾操縱飛機抬頭時，要向下偏轉產生負升力，壓下機尾，屬於加載舵面。但飛機有正迎角之後，將部分抵消平尾負迎角，降低其效率。平尾距飛機重心一般比早期鴨式佈局鴨翼距重心大，操縱力矩有時較高。但殲20屬中、後期鴨式佈局，其鴨翼面積較大，距離機翼較遠，中間以邊條過渡，既能利用不同氣動面產生的多渦系干擾提高飛機升阻特性，還有效加大鴨翼和飛機重心間距，提高了操縱力矩，正常迎角操縱效率不比平尾差。

鴨式佈局的阻力系數比常規佈局小10%左右，同時殲20機身長細比較大，截面積較小，也利於減阻

殲20還有較大面積的後機身邊條、外傾雙腹鰭和外傾角較大的全動雙垂尾。在大迎角時，後機身邊條能提供一定俯仰穩定性和低頭力矩；外傾雙腹鰭位置較低，不易受機翼湍流影響，能提供一定橫側穩定性和低頭力矩；全動外傾雙垂尾因有效舵面面積大，也可起平尾的部分作用。外傾全動雙垂尾的採用，顯著提高了飛機的偏航操縱能力，也兼具一定的類似平尾的俯仰操縱功能。由於整個垂尾都是有效舵面，垂尾面積大大縮小，可明顯提高隱身能力，並有效減少氣動干擾和阻力。這明顯優於外傾常規雙垂尾（僅方向舵可偏轉，F22/F35採用）。

作為氣動佈局重要部分，殲20採用兩側偏下佈置無附面層隔板進氣道。該進氣道利用複雜形面鼓包）對來流進行多次折轉並處理堆積的附面層，屬於多波系超聲速進氣道,其基礎性能高，優化設計後成功避免了進氣道S型轉彎導致的氣流局部損失增加，總壓恢復係數下降。由於殲20是上單翼，且機身採用升力體設計，進氣道受有益氣動干擾，大迎角性能接近兩側肋下進氣道或腹部進氣道,可充分發揮太行改的性能，提供更大的穩定工作裕度。

作為氣動佈局重要部分，殲20採用兩側偏下佈置無附面層隔板進氣道

殲-20其實是三翼面飛機

在該機設計初期，後機身邊條後緣可上下偏轉，但在風洞試驗和試飛中，發現沒有必要。所以，殲20也可算作三翼面飛機，兼有常規佈局和鴨式佈局的優點。該機可完成對常規飛機稱為大迎角過失速機動的動作，此時仍穩定可控。公開出版的瀋陽所院士回憶錄談到：90年代末隱身戰鬥機方案競爭和風洞實驗時期，我國根據F22宣稱的大迎角性能，提出一項主要戰技指標是我機在60-70度迎角時仍有較好的穩定性和操縱性。儘管雙方方案均達到指標要求，但成都所擊敗了瀋陽所，這隻能説明前者性能更好。

殲-20為何空重這麼輕

因殲20研製年代較晚，有技術上的巨大後發優勢，該機空重成功控制在15-16噸級：可利用我國新建的世界最大的8萬噸級模鍛壓機，單缸壓力世界首位的4萬噸級的模鍛壓機，以及多種數萬噸級的拉伸機、擠壓機和一些新型鑄造設備——這些傳統加工設備均優於西方。還大量採用新技術新工藝：液態金屬（特別是鈦合金等航空材料）電磁約束成形技術，金屬超塑成形技術，金屬3D打印技術等。該機空重明顯比F22輕，翼載荷較小。2017年，採用太行改進型發動機的殲20投入批產，圖片在網上公開。該發動機單台全加力推力140-142千牛，賦予殲20不亞於強敵的推重比，帶來了超聲速巡航和機動性等方面的收益。

行家看飛行表演，殲-20的表現要比F-22更好

若飛機升阻特性不夠高，翼載荷較大的話，即便推重比不低，在完成一些大機動動作時，也必然有劇烈的高度和速度損失，這在追求保持能量的現代空戰中尤為不利。殲20早期型（空軍2015-2016年接收）在2018珠海航展上，以作戰機動動作進行飛行表演。通常包括編隊超低空通場，單機爬升接半滾倒轉，單、雙機小半徑盤旋，單機大迎角爬升等。該機除大迎角爬升時開加力（直觀看為噴口噴火）外，基本未開加力。早期型殲20發動機推力較太行改小，未採用推力矢量技術。

殲20通常在超低空通場後，以超過60度迎角拉起，接一個半滾倒轉，在3秒內將機頭指向改變180度，其機頭轉向角速度可達60度每秒以上。該機此時，速度未出現明顯變化，高度還在較快增加。與之相比，F22完成該動作時，速度明顯下降，高度增加較慢，機頭指向能力雖然接近我機，但以能量損失為代價。殲20通常會連續進行三次小半徑穩定盤旋，盤旋半徑逐次減小，第三次大約150米，4秒左右完成半圈180度盤旋，過程中該機的速度、高度基本不變。此時穩定盤旋角速度不小於45度每秒，可用公式算出其飛行速度近120米/秒，馬赫數略大於0.35，穩定盤旋過載近9.5g：遠超瞬時盤旋角速度勉強達30度左右的三代、三代半飛機。類似的機動動作，F22藉助推力矢量也可完成，但會明顯地掉高度、掉速度。

殲20飛行表演時，各氣動面拉出的渦流

殲20還在盤旋、爬升等機動過程中，進行了多次主、側彈倉的同時開、閉，展示了中遠程的PL15和中近程的PL10空空導彈。此時，該機的速度、高度基本不變。而在F22的飛行表演中，同時開、閉主、側彈倉，會有明顯的高度和速度損失。

殲20每次表演結束告別時，均拉70度以上迎角高速爬升（向前同時向上飛行），整個飛機上表面都是各氣動面拉出的渦流（表演空域靠海，空氣濕度大，渦流引起空氣密度變化後水汽以霧滴析出，人眼得以觀察到渦流）。由於迎角很大，機翼很難產生足夠的正常氣動升力，主要靠各氣動面拉出的高速脱體渦增升。該機從超低空拉起到穿雲，僅用3-4秒，根據當時當地氣象條件如雲底高等估算，其平均爬升率超過500米/秒。

與之相比，F22最大爬升率在300-400米/秒，差距明顯。原因是其常規佈局大迎角升阻特性不夠好，升阻比較低，僅靠發動機增速不夠。該機爬升時，自重減少較慢（武器投放和燃油消耗），但阻力和速度平方成正比，還與氣動干擾有關，速度增加後，阻力增加較快，升力增加卻不夠多，發動機剩餘推力一般又小於飛機空戰重量的30-40%，阻力、重力會迅速和升力、推力達到平衡，爬升速度不再增加。正如專家傅前哨所言，飛機飛行性能首先取決於氣動，氣動特性好，裝上好的發動機可以錦上添花；即便發動機差一些，氣動也能在很大程度上彌補；若氣動特性較差，發動機再好，能彌補的也有限。