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揭秘歼11D改进历程:历经挫折磨难,后进者歼11B的奋勇向前
送交者: wwwyu[♂★★★★声望勋衔18★★★★♂] 于 2015-07-24 22:43 已读 2024 次 1 赞  

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近期网络上流出了一架编号为D1101的新型战斗机试飞照片。它极可能是新型的歼11D战斗机,在吸取歼11B研制的经验教训基础上进一步完善而来。

一:基本外形为何不变?难度较高而收益不成正比

我国参照苏27家族型号自主研制的一系列型号都没有在基本的外形上发生过变动,因为这样做成本大、风险高,但收益却较低。苏27家族基本气动设计成型于上世纪70年代末期,在设计之初它面临着两个取舍倾向:取的是异乎寻常大的航程要求,舍的是一部分超视距交战和高敏捷飞行的潜力。比如后掠翼的“失速”特性,就是限制苏27超视距作战能力的元凶。

失速现象在扇叶设计不佳的劣质电风扇上也能见到:气流突然无法继续附着在扇叶上,电扇突然声音变得很大,振动也强烈起来;虽然还在高速转动,但风力却变得极其微弱。用力前后左右摆动电扇以后,它会突然间“嗡”的猛然振动一下,风力恢复正常,而振动和噪音也小了下去。试想一下,在空气中吃不住力的不是扇叶,而是飞机的机翼,那会发生什么样的事情?

图:想象一下,当红圈区域丧失升力,而绿圈区域仍然在产生大量升力时,飞机姿态会怎样变化

后掠翼的失速特性正是最可怕的:它首先从后方的外侧翼尖开始,当机翼后方丧失升力时,机翼前方的升力会使飞机的头部猛烈翘起——直到整个飞机都丧失升力,进入失控状态。苏27的眼镜蛇动作就是在这种“快速抬头——机翼迎角超过失速临界——被猛烈向上掀翻”的基础上深入研究试飞出来的特技动作。

飞机在跨声速区域内进行剧烈机动时,随着速度的衰减很快会掉到亚声速范围内,并出现一个称之为“加速旋转”的抬头趋势。苏27这样的后掠翼飞机,如果在跨声速区域还做最大的极限机动;那么它就极有可能进入亚声速范围内后就因为“再次抬头——超过极限迎角——翼尖失速——被猛烈掀翻”而失控。如果是在空气密度很大的低空,这足以导致空中解体。

在苏27开始研制时,当时的机载火控雷达水平要在30公里以外稳定的跟踪、锁定战斗机目标还非常困难。这意味着绝大多数超视距空战展开时,战斗机的飞行速度主要在高亚声速阶段;因此苏27在跨声速阶段牺牲了30%左右的机动性,从0.85倍声速开始最大过载就从9G降低到6.5G,以保留超强的航程能力。

实际上在60-80公里距离上雷达开机搜索目标,并从高亚声速巡航状态转入全加力冲刺;在1.2~1.4倍声速下接触交战的现代中距战术,是90年代以后伴随后期三代机、主动中距导弹的成熟而发展起来的,极大程度上就是针对苏27和米格29开发的。你在跨超声速区域最不擅长机动?那我就把你拖进跨超声速区域来打;你愿意停留在亚声速范围也没关系,那只会使我获得非常明显的能量优势。

图:除了苏27与米格29,几乎所有三代机机翼的后缘都是平直或者类似歼10这样带一定前掠角度的,这不是巧合

从总体来说,要改进苏27气动外形,真正获得明显的飞行性能提升,必然要彻底废除现有的机翼和平尾组合等核心气动设计,工作量、难度以及经济成本都非常接近设计一款全新的型号。但不论再怎么改,新机型的总体性能仍然跳不出三代机的范畴,反而不可避免会在航程等性能上有所损失。

在我国已经有歼20这种真正四代机的情况下,歼11系列的新改型花太大本钱去改善制空能力是没有意义的,做好远程对地攻击等多用途的“打杂”工作才是它的真正价值所在。

二:飞行控制系统数字化,可靠性和环境适应能力实现突破性提升

从合理的技术规律角度来说,歼11D作为歼11B的后继发展型号,它必然要着重解决歼11B上一些遗留已久的设计遗憾,这其中涉及到飞控系统的内容就是一个非常重要的部分。根据院士丛书的披露,原本研制单位在歼11B上就计划进行电传系统数字化的改进,但因种种原因一直推迟到歼11BS上才实现。

在电传飞机上,驾驶员操作驾驶杆和脚蹬给飞机下达的指令,都要通过飞控计算机“翻译”成合适的指令以后,才会传递给驱动水平尾翼等气动面活动的液压伺服机构。因此说飞控计算机是电传系统的核心部分也毫不过分,而歼11B的电传系统是苏27SK上相关产品的国产化型号,它最大的缺陷正是模拟电路飞控计算机的可靠性差、可维护性差。

图:飞机上的电子器件常常安装在各种机匣中

苏27的电传系统核心是分别以白、绿、黄、蓝四色涂装,按此顺序排列的计算机匣(类似于电脑机房中的刀片式服务器)和对应的单配电源组件;分别对应1、2、3、4控制通道。这种多余度的设计,保证即便有一到两台计算机出现故障,给飞机发出错误指令,也不至于造成灾难性的失控事故。而这8个设备组件全部安装在CT-5台架上。由于苏联气候寒冷,苏27飞控计算机在本土使用时完全可以保证温度处于正、负60摄氏度以内的要求,因此没有为机匣设计专门的降温除湿空调管道。

在我国的使用过程中,由于南方的高温、高湿,尤其是沿海地区的高盐度,苏27飞控计算机的模拟器件电气信号畸变现象很严重,故障率很高。虽然苏联针对苏27飞控模拟电路稳定性和可靠性不佳的问题,设计了很多可调电位计供维护人员调节,保证飞控计算机工作正常;但在我国的地面维护过程中,很多气候较为炎热的单位,都在经验教训里特别强调控制苏27飞控计算机的地面开机时间,以避免其过热而故障、甚至烧毁。

而在歼11BS上,相关单位巧妙的通过将原苏27系列飞控计算机的输入输出特性提取出来,并在数字计算机中运行;依靠数字计算机的高性能、低功耗、低发热、高可靠性,大幅度改善了飞控计算机的可靠性问题。用一个不甚确切的比喻,这就像在个人电脑上运行红白游戏机模拟器——而你再也不用担心游戏卡带接触不良的问题了。

虽然歼11BS的电传发展出现过挫折和不顺,但这条技术路线本身并没有太大的技术难点。对于歼11D我们应该抱有充分的信心,它的飞控计算机一定会比歼11BS更加完善,在完美继承苏27SK电传功能的同时,将可靠性提升到接近歼10等西方标准下第三代原生数字电传战斗机的水平。

三:机身结构改进与发动机性能提升

前苏联由于自身在精密化工上的不足,在战斗机上应用先进复合材料的比例一直很低。比如在较为早期的苏27上,整架飞机只有座舱风挡前面的蒙皮才象征性的使用了一点碳纤维复合材料。一般来说,使用碳纤维复合材料取代铝合金,可以实现20~30%左右的减重效果;因此在歼11B的研制过程中,较大比例替换先进材料就成为一个重要的性能提升突破口。

然而根据研制单位自己公开出版的一些资料和专著,比如《飞机结构典型故障分析与设计改进》中披露的情况,歼11B在这方面遭遇了一定的挫折。设计规范和经验的匮乏,使歼11B尽管选择了最稳妥的结构改进方案——刚度等代设计,在保持原结构设计基本不变的情况下将铝合金替换成复合材料,仍然出现了裂纹频发、寿命不达预期等问题。

图:注意平尾下表面的黑色区域,那是防振颤的配重钢板。歼11D和歼11B一样,继承了包括振动特性在内的原苏27SK基本结构设计

歼11D作为时隔将近10年以后推出的新型号,其结构设计不仅会集歼11B诸多整改措施于一身,还肯定会应用一些歼11B上未能采用的较大改动设计。这其中带来的好处,不仅是提升结构可靠性、降低维护成本(复合材料部件一旦开裂或者分层,无法维修只能更换)、使飞机的实际寿命达到等同并优于苏27SK原型机的设计目标,在飞行性能上也应该有较明显进步。

歼11B由于要安装太行发动机,对进气道进行了更改设计。苏27SK的进气道调节板分为前、后两个部分;出于尽可能少更改原始设计的谨慎心态,设计单位只重新设计了复合材料结构的后调节板,而前调节板结构基本不变。这个设计带来了两个问题:首先是后调节板的前缘无法承受气流冲击被整体撕裂,脱落的部件打伤了发动机,后来通过将前缘更换为铝合金部件而得以解决。

图:太行发动机在歼11B上一直“吃不饱”

第二个问题则对飞行性能影响较为严重。太行发动机的设计类似于美国F110发动机,比起苏27原装的AL31F发动机要更多的空气才能“吃饱”。但歼11B进气道设计上过于妥协,使其调节系统能提供的最大截面积不足,通过不了那么多空气。因此设计师李明院士要求太行发动机研制单位,降低发动机的进气流量和推力,以完成和飞机的进气道匹配工作。

从合理的角度上看,歼11D必然要更正这一缺陷设计;一方面是真正解放出太行发动机的真正性能水平,另一方面也是为以后能安装更大推力、更大流量的太行发动机改型留出余地。

四:强化多用途能力,但航电系统的具体构架仍是悬念

歼11B研制之初的定位,是为我国提供一种现代化的苏27SK战斗机改型;核心重点在于通过替换较为先进的航空电子设备,实现制空能力的大幅进步。就像早期的歼10一样,歼11B也并不具备对地面目标精确打击等多用途作战能力,这是一件非常可惜的事情——苏27家族拥有着几乎是历代战斗机家族中最强的挂载能力和航程能力。

在歼10S和歼11BS都先后开始具备多用途作战能力以后,歼11D成为多用途战斗机已经是必然的选择——既是适应部队的作战能力增长需求,也有着充分的技术基础。而最大的悬念在于:给歼11D提供多用途作战能力的航电系统,具体先进到什么程度,采用了何种架构?

我国先进航空电子系统大致上可以分为三代。第一代是以1553B总线构架为核心(和多数西方三代机相同),作为歼10的配套项目完成研制,从上世纪80年代开始起步。这套系统是我国目前最成熟的先进航电之一,经过多轮改进和优化,匹配到了多种机型上,包括FC1和歼11B,表现较为可靠稳定。

图:虽然具体水平有差距,但歼10B航电确实出自F22的技术路线,与其它三代机完全不同。

第二代则是对F22“宝石柱”航电系统进行追踪研制的HSDB总线航电,根据空军工程大学公开论文《新型战机综合航电系统及其高速光互联技术》中明确指出该系统应用于歼10战机,可以推断歼10B型上搭载的即是该系统。而第三代航电,则是追踪F35的技术成果,目前仅由歼20原型机搭载,应该还并未达到真正的实用化水平。

因此歼11D上搭载的航电系统视定位高低的差异有两种可能。第一种是在歼11B航电基础上进行强化,更换关键设备(比如将平板缝隙阵列天线雷达换成相控阵雷达)并添加一些额外设备形成多用途作战能力。这种情况下歼11D的航电水平会非常类似于F15K等西方最新的较为新型的三代机改型水平。

如果歼11D定位较高的话,很有可能会使用衍生自歼10B平台的HSDB总线航电;实现近似于歼10B这种“三代机平台+四代航电”的组合。由于苏27sk平台的挂载能力和航程能力上压倒性的优势,仅论多用途能力而言歼11D毫无疑问要远胜于歼10B性。但是歼11系列受限于飞行控制系统的问题,难以实现火力控制系统、电子干扰系统与飞行控制系统的综合一体化,这一方面却又远不及歼10B.

结语:

虽然歼11D的具体情况,还有待于进一步的资料和信息公开,但我们至少能得出这样一个结论:历经挫折和磨难,但歼11B终于涅槃重生,向达到能承担起当年国家和军队领导人对它的重望而进发。

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