国产五代舰载机外形与F35相似?设计理念截然不同

  [文/观察者网专栏作者 王世纯]

  本周过年,因为航空工业涉及五代机的重大新闻较多。10月27日,有成都居民拍摄到两座版歼-20隐形战斗机滑跑的照片和视频,中国自此成为世界上第一个研制双座隐形战斗机的国家。29日,也有当地居民拍到了下一代隐身舰载机原型机成功首飞的照片,这是美国以外全球首款具有隐形能力的舰载战斗机。中国长期是航空工业的落后国,但如今,我们刚刚试飞的五代机引领了世界五代机的发展方向。本周的军评,我们也要围绕这两款五代机进行分析。

  飞翔!飞翔!乘着长空飞翔!中国空军,在烽火中成长! 图源:社交媒体

  翱翔的海东青

  本周,传闻已久的隐身舰载机终于首飞,与歼-20双座型来了一个“南北齐开花”,给全国人民送上了一个“双喜临门”。在社交媒体上,有不少人已经放出了首飞中绿色高级舰载机的照片,也有有心的博主将刚刚拍摄的舰载机照片放到了丹东志愿军烈士墓碑前,希望航空工业的最新成就能告慰牺牲的革命先烈们。

  向海图强,告慰烈士 图源:社交媒体

  近年来,随着我国航空技术的不断进步,愈发自信的航空工业也不再在新平台首飞问题上处处保密,对于四代舰载机的首飞也是早有预告。对于关心我军航空工业的读者而言,有关下一代战斗机平台,以及下一代战斗机平台子系统如WS-19发动机的消息很多,但是像四代舰载机一样,明确透露试飞节点的战斗机确实不多。笔者也是在航空工业珠海航展发布会上,亲耳见证孙聪总师“下一代舰载机年内亮相”的豪言壮语。如今孙总师言出法随,话音刚落一个月四代舰载机就公开亮相,也确实有一种新的气象。也让人回想起2011年1月份718工程首飞时的震撼感。

  珠海航展新闻发布会 观察者网王世怡/摄

  对于为何海四代要选择“双中推F-35”这样的构型一事,这显然不是航空工业厂所“自作主张”所能决定,而是军队——也就是甲方确实需求导致的。在甲方新锐航母电磁弹射器最大弹射起飞重量有限的情况下,一切舰载机的指标都要向重量和尺寸妥协,最大起飞重量过大的歼-20显然就不在选择范围之内。在此基础上,有能力研制舰载机的研究所都不得着眼于未来作战环境的需要以及我国当前技术基础制定指标,以此提出新的构型。最终,更加成熟FC-31构型演化为舰载机专项的21号工程,也就不是什么奇怪的事情了。

  学会接受来自甲方的恶意 图源:社交媒体

  在有限的重量和尺寸限制下,航空工业沈飞就不得不对下一代舰载机的结构和气动布局上下狠功夫。从FC-31第一款验证机开始,如何在有限的空间、气动外形、有限的发动机推力下提高机内容积和大幅度进行结构减重,提高舰载机升力和减租,就成了整个海五代项目的发展脉络。

  这种“螺蛳壳里做道场”的方式也体现在本次首飞的海五代外形变化上。虽然这款飞机看起来沿用了FC-31起始的“双发中推窄间距紧凑机身布局”,但和31系列验证机不同的是,本次首飞的五代机明显“胖了一圈”。细节上,在机翼后缘、机头形面、隆起的座舱后部、DSI进气道唇口形面乃至整个机身方面,都有了较大变化。这样的变化是合理的,一方面海五代原型机需要容纳更多的电子设备,因此势必要加大机身;另一方面,海五代还需要为舰载需求重新设计气动外形和机体结构。

  过年回家,胖了一圈

  与陆基战斗机相比,舰载战斗机气动力设计的难点首先是要满足舰面短距起降的能力要求,其核心指标是让飞机在起降过程中必须有足够的升力。但和传统战斗机不同,隐身舰载战斗机需要在保持隐身性能的情况下注重舰面短距起降与空中高机动性,为此设计人员的设计域极窄,需要在有限的空间内尽可能减阻,提高升力。

  根据航空学报的论文,和31系列验证机相比,海五代的原型机机翼后缘变得更为饱满并且由平滑过渡变为反弯设计,目的是改善低速气动效率,满足舰载起降性能需求。此前,第三代舰载机通常使用增升装置提供足够的升力增量,比如开缝襟翼。但开缝襟翼增升能力强,但隐身效果差,这使得五代舰载机需要采用简单襟翼设计,与前缘襟翼使用策略进行协同优化设计,以进一步提升升力。

  除了进行提升升力的设计以外,新的舰载机还在飞机的各个细节上进行了减阻。新的五代机机头形面优化,座舱风挡前的过渡段变得更加平顺。而一些减阻手段则是反常识的,比如新的舰载机的座舱后部隆起,根据论文的说法这种隆起可以使前机身座舱之后膨胀波强度降低,进而导致跨声速阻力下降。此外该机在DSI进气道唇口形面等地方也作了相应的减阻处理。在进行多种处理以后,论文认为整机通过气动修型上的优化,实现了10%的气动减阻增益。这为新型舰载五代机日后更换动力系统后的良好超音速性能打好了基础。

  图源:社交媒体

  在满足升力和减阻以后,新一代五代机的另一个难关就是减重。减重素来是航空工业沈飞的强项,有关五代机舰载机减重的手段,航空工业官方微信号在研究所项目总设计师王向明的文章中已经介绍的差不多了。王向明提出了铝合金加强框-翼梁整体件设计/制造一体化方法,选用铝合金预拉伸厚板,通过残余应力对称释放、优化机加工艺路径,实现大长细比框-梁整体件机加翘曲变形有效控制。同比传统钛合金框梁组合结构,零件减少一半,减重超过1/3,从而大幅减轻结构重量,增加装载燃油,进一步保障了飞机推比和作战半径。

  在满足减阻和减重指标以后,新的舰载战斗机就成为一款跨音速、亚音速很强的战机,这和F-35系列战机路子截然相反。

  讲到强敌舰载机,我们就必须要提及我国五代机潜在的设计思路和设计目标了。五代机和以前战机最大的不同之处就是隐身性能,因此一架五代机的研制绕不开气动外形、动力系统和弹舱三个关键子系统的指标取舍。当代中美研发的两款舰载机:海五代、F-35,无疑都是围绕这些子系统指标进行取舍,但两者在设计理念上走了一条截然不同的道路。

  看起来一样的两个飞机,其设计理念确实截然相反的

  美军在设计以打击地面目标为主的JSF联合攻击战斗机时,对战机的隐身载弹性能提出了硬指标,其最核心的指标内容就是弹舱足够深、足够大,能容纳2000磅的航弹。因此波音X-32、洛克希德马丁公司X-35两型JSF五代机原型机的设计思路就是围绕弹舱布置和动力系统来设计飞机。而最终,为了完成打击能力的关键指标,两款参与竞标的隐身飞机都部分放弃了飞行性能。

  灵活的胖子最终还是胖子

  而我国的海五代选择的是双发窄间距紧凑机身布局,这显然是向另一个方向的曲射。欧洲的FCAS、英国的“暴风”、我国的FC-31验证机和韩国的KFX均选择了这种布局。这种设计的缺点是,长度受限于发动机长度和进气道,飞机的弹仓会布置的尽可能紧凑。反映到具体设计上,不管是“暴风”、FCAS还是FC-31,其弹舱长度都受限,FCAS因为采用了EJ200这种先进推力,保障了相对长一点的弹舱,而韩国的KFX干脆因为设计不出来足够长度的弹舱而降档为了“四代半”。

  但是,这样的取舍带来了好处:布局上首先是采用了两个发动机,对航发的成熟度要求低,其次是方便在飞行性能上和隐身布局上进行安排。就航发成熟度而言,在舰载机选型期间,我们有“单大推”和“双中推”两种选型。但由于我国正在研发的大推推力无法媲美F-135,加上长期缺乏一款F404级别的先进中推,那么发展WS-19型先进中推发动机,不仅可以用于正在发展的舰载机,未来也能用于大型无人机,包括“忠诚僚机”这样的概念,可以说是“一机多吃”的现实需求。

  在飞行性能上,近年来一系列突破的新工艺让四代的机内容积比想象中大,燃油数量更多,同时重量也比想象中轻,算得上中规中矩的新一代先进中推,新型五代机的推比和作战半径都很不错,满足其飞行性能,尤其是跨音速飞行性能压制强敌现役两型五代舰载机(F-35B和F-35C)的指标需求。

  想做到这点并不容易

  可以看出,我国的舰载五代机,虽然构型和F-35类似,但其设计理念和F-35截然不同的。由于舰队面对严峻的空防压力,我国五代机的首要目标依然以舰队制空、截击为主,追求夺取制空权,前出拦截敌军打击机队。此外,我军航母战斗群的打击手段将以舰载远程高超音速武器为主,预设战场也不会脱离我国远程导弹旅的支援,在此情况下的,我国未来舰载战斗机需要担负的打击任务少,但有明显的制空压力。可以说,新一代的海五代设计理念,和F-35正好处于天平的两端。

  最后还有一点口水问题,就是“姗姗来迟”的新的五代机,会不会出现“服役即落后”的情况?根据目前的全球军备发展状况,在“十四五”结束,“十五五”开局之年,全球除了F-35机队相对普及以外,其整体技术条件没有爆炸式的提高,新一代舰载机依然会在十年内拥有技术优势,且可以依托我国较强的海军水面舰艇体系优势压制周边国家舰载和岸基隐身战机。

  而美军的“舰载五代机”很有可能在新型航母服役以后被抹平——根据美国海军目前的计划,F-35C项目进入印太地区服役也不过是今年年末的事,2025年美国航母,包括新锐的福特级也刚刚完成F-35C的换装。至于FAXX这样的“灭国神机”,恐怕已经是三十年代的事情了。

  随着这段时间以来外部斗争环境变得激烈,航空工业能在这个时间段拿出一款足够先进的五代舰载机,确实是一种“提气”。近代史告诉我们,西方侵略者是从海上来的,而航空工业翱翔的海东青则为这段屈辱的历史画上了一个永久的句号。向海图强,我们祖国航空工业和强大的人民海军必将维护祖国利益和海疆安宁。