歼20战斗机主要武器:
霹雳21组合动力远距空空导弹,霹雳12D(SD-10D)主被动双模式制导中距空空导弹,新型霹雳10近距空空格斗导弹,雷石6精确制导滑翔炸弹,中短程空地导弹,改装为北斗精确制导炸弹的自由落体炸弹等各种先进的精确制导武器,30mm机炮,两具红外曳光箔条干扰弹,四具火箭弹发射器,霹雳8近程空空格斗导弹。发动机推力:AF31,12.5吨×2(不能实现超巡、高机动)。目前使用WS-10B太行发动机,推力15.5吨×2,如使用WS-15则为18吨×2,实现超巡、超机动。
歼20战斗机气动布局
鸭式布局对于超巡十分有利,对于超机动也同样有利。无尾三角翼有利于实现面积律,这是人们早已熟知的。另一方面,由于隐身的需要,机翼后缘不应该是平直的,机翼后缘都带有前掠可以在相同翼展情况下增加翼面积,降低翼载,并增加翼根长度,改善翼根受力情况,但这使得翼根后缘十分靠后,常规平尾的位置很难安排, F-22 和 T-50 都只得在机翼后缘斜切一角,才能挤进平尾。由于平尾和重心的距离很近,力臂较短,只有用较大的平尾面积才能管用。T-50 的平尾面积缩小,但如果力臂可以拉长的话,本来可以进一步缩小的。但采用鸭式布局的话,鸭翼在机翼前方,不和后延的翼根冲突,比较好解决。歼20的鸭翼相对主翼的位置比歼-10 进一步靠前,增大了力臂,增强了效用,所以较小的鸭翼就可以达到很大的作用。
歼20这样的远距耦合鸭翼的优点早已为人们所熟知,但为什么在战斗机上只有欧洲“台风”才使用呢?因为鸭翼可以有两个作用:配平和涡升力。远距耦合鸭翼有利于配平,但不利于产生涡升力。配平力矩强有利于加速改变机头指向,涡升力强有利于稳定盘旋,两者各有各的用处,但通过鸭翼的位置很难兼顾两者要求。另一方面就是飞行员的视界,远距耦合鸭翼常常遮挡了飞行员侧下方的视界,十分不利于空战格斗,欧洲“台风”就有这个问题。但歼20的长度很长,对空战视界的影响很小,因为鸭翼下的视野早已被机翼挡住了,即使不安装鸭翼,那片视野也同样看不到。
根据测算,歼20的机身长度达到 21.30 米,比 F-22 的 18.92 米和 T-50 的 20.40 米都要长,和米格 1.44 的 21.60 米差不多。歼20的进气口在机身两侧,机体本身较宽大,而机尾喷口是紧密并排的,所以可以肯定歼20的进气道有相当程度的弯曲。加上 DSI 的有限遮挡,发动机正面不暴露在直射雷达之下是可以肯定的。歼20机身为什么那么长现在还不清楚。
歼20的“ DSI ”恰好在这三个方面都用最小的折衷做到了。DSI 本来就是用来分离附面层的,DSI 的附面层分离效果好,阻力小,总压恢复好,但 DSI 只能对一个有限的速度范围优化,很难做到对很大的速度范围都高度有效。另外,DSI 的凸曲面设计本来就相当复杂,需要考虑三维流场和压力分布。为了隐身,四代的机头是菱形截面,进气口是像 V 形一样向两侧倾斜,在大迎角下流场更加复杂。为了改善大迎角下进气口对空气的“捕捉”效果,进气口像 F-15一样带一点后掠。为了不给 DSI 设计带来太大的困扰,后掠没有 F-15 那么大。但 V 形机头下半部的前机身预压缩能力补足了进气口后掠不足的缺憾。另外,正因为进气口后掠,下唇位置靠后,所以凸曲面位置偏上,和凸曲面剖开造成两撇“胡须”的下一半的位置正好对上。
F-22采用加莱特进气口,也称双斜切双压缩面进气口,或者斜切菱形进气口,不同的说法,都是一个意思。这个设计比 DSI 超音速性能好,适应的速度范围更大,但毕竟还是固定进气口,最终逃不过固定进气口的限制。好在 F-22 有两台变态的发动机,超音速巡航没有问题。T-50 的超音速巡航性能现在不清楚,T-50 的进气口和 F-22 有所不同,但原理大致相似。
F-35采用 DSI,只有一台发动机,尽管推力变态,还是力不从心,最高速度只有 M1.6,超巡就免提了。歼20要做到超巡,但中国没有 F-22 这样变态的发动机,只有用可调进气口来帮忙,达到足够的超巡性能。四代的进气口上唇可以下垂,像 F-15 一样,这就是可调进气口。和 F-15 不同的是,F-15 的可调进气口是暴露在外的,而四代的可调进气口是包拢在进气口结构内的。四代这样做当然是出于隐身的考虑,但可能造成进气口唇口较厚、阻力增加的问题。工程设计本来就是得失权衡的过程,只要最终结果得大于失,这就是值得的。不过四代的进气口上唇下垂如何避免和 DSI 的鼓包打架,这还是一个有趣的问题,有待更多的细节图片才能解惑。活动上唇和固定外壳之间不可避免的间隙里,如何避免杂物和尘土嵌进去,造成可调上唇动作受阻,这也是一个具体的工程问题。四代的进气口可算是 DSI、加莱特和 F-15 那样的可调锲形的结合体,这也给了四代正面大青蛙一样的特征。
有的示意图上,歼20的鸭翼是箭形的,但从正面照片来看,鸭翼是梯形的。按照尽量减少边缘角度的 edge alighnment 原则,机翼形状应该和鸭翼一致,机翼、鸭翼前后缘对齐。如果最后证明鸭翼不是梯形而是箭形的,那也无妨,鸭翼和机翼的前后缘不一定需要左面对左面,左面对右面也是可以的。机翼采用 M 形或 W 形虽然也符合 edge alighnment 原则,但增加了内角和凸角,增加后向雷达反射特征,能避免最好避免,只有在前掠后缘导致翼根长于机体长度的时候才不得已而为之。双垂尾的形状估计了鸭翼一致,有利于边缘对齐。垂尾翼尖斜切一刀,估计机翼、鸭翼也有同样角度的斜切一刀。米格战斗机的垂尾经常有这么一刀,F-15 的翼尖也是这个样子,这是为了躲开翼尖涡流造成的额外阻力。
歼20的鸭翼是全动的,歼20的双垂尾也是全动的。已知战斗机中,只有 T-50 是全动垂尾,F-22 和 F-35 都是常规的固定垂尾加可动舵面。全动垂尾和全动平尾一样,都是飞控要求和水平提高的结果。传统的横向稳定的飞机设计中,后机身的水平方向投影面积应该大于前机身,这样飞机就像风向标一样,在横向是自然稳定的。后机身是指整机重心以后的部分。现代战斗机的发动机占了飞机重量的不小的一部分,飞机重心越来越靠后,所以机翼也靠后,造成 F-18这样机头像仙鹤一样长长地伸在前面的样子。但这样,后机身的投影面积就越来越依靠垂尾,一个垂尾不够,有时还需两个垂尾。双垂尾还有额外的好处,可以把舵面差动动作(也就是同时向外,或者同时向里),充当减速板使用。像 F-18 那样的外倾双垂尾的舵面差动动作的话,还可以产生额外的压尾力矩,帮助飞机及早抬头,缩短起飞距离。外倾的双垂尾还有降低侧面雷达反射面积的的好处。对于远处照射过来的雷达,入射角基本上可以等同于水平入射,直立的垂尾像镜子一样反射,外倾的垂尾就明显降低了雷达反射特征 。
不过外倾的双垂尾在飞控上比较别扭,不光产生偏航力矩,还产生滚转力矩,要达到飞行员的无忧虑操作,需要较高的飞控水平。歼20比这还进了一步,采用了全动垂尾。全动垂尾变被动的自然稳定为用主动控制达到方向稳定,好处是可以用较小的垂尾,重量和阻力都较小,雷达反射面积也小,坏处是对飞控要求进一步提高。歼20采用这样极端的技术,说明了成飞对先进飞控的信心。
但歼20飞控之变态不在于此,而在于可动边条。在众多侧视图中,不大为人注意的是鸭翼和机翼之间的边条,有一条清晰可见的缝线,这只能是可动边条。四代的远距耦合鸭翼注重配平作用,有助于敏捷的机头指向,但对于稳定盘旋所需要的涡升力没有太大的帮助。欧洲“台风”在鸭翼和机翼之间增设了一对小小的扰流片,用于产生涡升力。四代大大地进了一步,鸭翼和机翼之间的边条是可动的。由于和机翼在同一水平面上的缘故,四代的鸭翼略带上反。一般说上反翼增强横滚的稳定性,用于自然稳定性不足的下单翼。四代鸭翼相当于上单翼,上单翼用上反十分罕见,对敏捷性是负面影响,但鸭翼面积太小,这点影响可以忽略不计。但鸭翼略带上反,减少对边条的遮挡,可以增强边条的作用。歼20的边条是小小的,比较狭窄,毕竟在鸭翼后面,太宽大了没用。但这不等于边条就无所作为,尤其是边条可以可控下垂。可动边条可以强化涡升力,并且可以控制涡流走向。米格-29K也采用了类似的技术,不完全一样,但思路相近。米格-29K 的大边条下有一对可以在起飞着陆时放下的扰流片,这一对扰流片大大增强了涡升力,所以不需要苏-33 那样的鸭翼就可以实现航母上的滑跃起飞。不同的是,米格-29K 的扰流片只在起飞、着陆时使用,对机动飞行没有助益,歼20的可动边条在所有时候都可以发挥作用,这就是全新设计和改进设计的差别,也是飞控的差别。
歼20比较引人注意的“倒退”是那一对腹鳍。在传统设计中,腹鳍是后机身投影面积的一部分,是为了降低过高的垂尾用的,在大迎角垂尾受到机体遮挡时,腹鳍的方向稳定作用也比垂尾更显著。但四代采用全动垂尾的目的就是用主动控制代替被动的自然稳定性,再用腹鳍在道理上说不通。即使在大迎角垂尾作用受到削弱时,也可以通过副翼和襟翼的差动动作造成不对称阻力,达成偏航控制。B-2 和 YF-23 就是这样控制的。事实上,所有第五代战斗机中,歼20是唯一采用腹鳍的,F-22、F-35、T-50 都没有采用腹鳍。T-50 或许可以用推力转向补充大迎角方向稳定性的主动控制,F-22、F-35 可没有这样的能力,F-22 的推力转向只能上下动,不能左右动。事实上,在西方的第四代和四代半战斗机中,只有 F-14和 F-16采用腹鳍,F-15、F-18、“鹰狮”、“台风”、“阵风”都没有腹鳍。苏联第四代的苏-27有腹鳍,米格-29也没有。那为什么四代回到已经“过时”而且和主动控制思路相悖的腹鳍呢?有可能这是米格 1.44 的影响,这是可动腹鳍,用于大迎角时的主动控制,或者这只是四代技术验证机阶段的过渡措施,作为减小面积垂尾的保险。