【图片】f35飞行性能探析【苏27吧】

F-35A飞行性能探析
By zwz
这可能是众多读者盼望已久的话题了。F-35作为第一种海军、空军和海军陆战队通用的联合战机，集成了众多的先进技术，又有极高的性能指标，各种需求之间的矛盾不易协调，从F-35诞生之日起便争议不断。尤其是2004年超重问题曝光之后，F-35一夜之间跃于各参与国军界和舆论界的风口浪尖之上。众所周知，超重直接影响飞行性能，而优异的飞行性能是一型优秀战机的重要特征。此外，超重还会间接影响航程/载荷性能，以及JSF计划参与国重视的空战性能（对于某些想买F-22而不得的国家，F-35无疑会成为其倚仗的空优主力）。就在F-35减重计划紧锣密鼓实施之际，与其相关的负面消息却接踵而至。
08年底围绕着F-35流传着两件事：一是据传在美国国际战略研究机构RAND（兰德）公司进行的兵棋推演中，F-35输给了苏霍伊战机。另一是美国军事评论家Winslow Wheeler和有F-16概念之父之称的Pierre Sprey对F-35大加抨击，认为其“是一只狗”：“F-35有49500磅（22460千克）的空战起飞重量，但只有42000磅（19056千克）的推力（F-135台架推力值达到43000磅，42000磅可能是安装推力。而官方只给出了40000lbs class的模糊说法），使得它的推重比在新式战机面前明显处于下风。此外，对于空军型（F-35A）和海军陆战队型(F-35B)而言，由于只有460平方英寸（43平方米）的翼面积，其起飞翼载将高达108磅/平方英寸（522千克/平方米）。”据此，Spery和Wheeler得出结论：“F-35实际上比越战时的F-105机动性更差”。
但与此同时，美国空军准将Charles Davis给出了官方辟谣声明，称F-35在空战模拟中不仅击败了包括苏霍伊战机在内的各种空中威胁，而且优势非常明显。针对Spery和Wheeler对F-35的恶评，Davis回敬道：F-35不是狗，而是一匹赛马。
此外，就是这种貌似超重且动力不足的飞机，在飞行测试中却表现的让人大跌眼镜：第一架F-35A（AA-1）首飞时，虽然没有收起起落架，且禁止打开加力，伴飞的F-16C却难以跟上，甚至需要间歇性的打开加力才能完成追踪观测的任务。须知F-16C是第三代战斗机中加速性最为优异的型号，在30000英尺高度，从0.9马赫加速至1.6马赫仅需59秒（据1993年国际航空精华本数据。同样以推重比著称的MIG-29A需86秒）。
针对几中截然不同的声音，笔者希望根据官方的F-35数据、飞行员访谈、F-35实际试飞表现等斗胆推测一下F-35系列，主要是F-35A的飞行性能。
众所周知，飞机的飞行性能，由气动、动力、飞控三大因素决定。任何具有良好飞行性能的飞机，必须有强劲的动力提供足够的单位重量剩余功率（sep），气动设计追求高升低阻，而飞控系统则根据飞行状态、实时调整各操纵面保证最佳的控制效果。在下文中，笔者也会主要围绕这几个方面进行分析。一.F-35A重量之谜
这可能是F-35A最为神秘的数据之一了。从1996年jsf项目提出以来，F-35的空重指标不断变化，但基本上是越变越重。从2002年的26500磅(12023千克)到2006年的29036磅（13150千克），增幅达9.6%。相比之下，历史上研发过程中重量控制不佳的典型型号，如F/A-18，增幅也不过8%。那么这个13150kg的数字可信度到底如何呢？下一步变化趋势又如何呢？结合F-35研发团队的年度报告，笔者作了如下分析：

送TA礼物

1楼2012-07-19 14:39回复

在洛.马的官网上，F-35A的空重确实是刚才提到的数字。但在JSF项目团队的年度进展报告却另有说法，见图一和图二：
图 1 三种F-35的空重都被打上了星号

2楼2012-07-19 14:40

3楼2012-07-19 14:42

4楼2012-07-19 14:43

图1是F-35三种型号的估计数据。注意到三种型号的“空重”均被标上了星号，而其它数据则没有星号。显然，洛.马在其官网直接使用了打上星号的数据。而星号表明其尚处于变化中，不确定度比其余数据更大。果然，F-35 AA-1各部分重量分布实测数据（见表2），与前面“星号数据”似乎出现了矛盾。
在GRAND TOTAL一项中，13496.1磅（实测值，不计发动机）占据了全部重量的61%，可知AA-1实机在不算发动机的情况下，重22124磅（10038千克）。剩下的工作就是估算F135发动机和其附件的重量。
以F135推力 43000磅（19.5吨）的台驾值计算，因F135为了降低成本，在F-119基础上增加了廉价材料用量，不可避免的会导致推重比下降。由于F-119推重比在10以上，为使结果更有说服力，从严估计，姑且认为F-135推重比为9（与F414相当）。可得F135重量估计值2167千克。加上原先不算发动机的重量10038千克，估测的空机重量为12205千克。和“星号数据”13150千克有945千克的落差。如何解释这945千克呢？未被计入的重量
可能读者已经注意到了，前面已经指明了估算目标“发动机及其附件”的重量。而计算中没有考虑发动机附件。这不失为低估重量的一个可能因素。但笔者认为这种可能性是很小的。首先，美/法/中国等国的发动机重量计算标准是算上附件的，只有俄式标准不算附件。其次，虽然“附件”这个概念比较宽泛，不一定隶属于发动机，但其重量的量级一般为几千克至几十千克。比如为了方便地勤人员装弹，从04年开始，F-35的弹仓设计中比原先多了一个机械装弹机构，这算是很重的附件了，但也只有36千克。笔者认为，最有可能造成这945千克差异的，是因为不同国家空重(empty weight或gross

5楼2012-07-19 14:43

图 3 第一架采用重量优化措施的F-35A（AF-1）下线

7楼2012-07-19 14:45

和AA-1相比。AF-1主起落架比原先更细，起落架舱内缩且更为平整。可与图4的AA-1对比：

8楼2012-07-19 14:45

图 4 F-35A（AA-1），注意其起落架与AF-1的差别

9楼2012-07-19 14:46

减重措施在STOL型取得了900千克的收益。而CTOL由于结构上的差异，不能完全照搬这个数字。不过有一点可以肯定，就是F-35A已经得到明显的减轻，AA-1的实测数据不再适用。就此判定现在的F-35A（AF-1）空重（operation weight）理想值为12吨，而上限为12.5吨应不为过。为方便讨论，下文中的“空重”使用传统概念，不计及飞行员、死油、炮弹等重量。请读者注意区别。

10楼2012-07-19 14:46

减重措施在STOL型取得了900千克的收益。而CTOL由于结构上的差异，不能完全照搬这个数字。不过有一点可以肯定，就是F-35A已经得到明显的减轻，AA-1的实测数据不再适用。就此判定现在的F-35A（AF-1）空重（operation weight）理想值为12吨，而上限为12.5吨应不为过。为方便讨论，下文中的“空重”使用传统概念，不计及飞行员、死油、炮弹等重量。请读者注意区别。

11楼2012-07-19 14:46

13楼2012-07-19 14:49

三.F-35A部分飞行性能推测
为了方便读者对目前的高机动性第三代战斗机的推重比有一个大致的概念，且为说明统一计算标准的重要性，笔者将Su-27SK，F-16A-MLU的较准确值和F-35A的估计值一并给出，易于对比。其计算标准仍参照Su-27SK的载油系数，一视同仁。空战挂载为：Su-27SK 2*R-73(220千克)；F-16A-MLU 2*AIM-9(174千克)；F-35A 2*AIM-132(174千克)。空战重量计算如下：
Su-27SK：16800+2600+100+220=19720千克；
F-16A-MLU：7400+1145+100+174=8819千克；
F-35A(AF-1，推测值)：14131.5千克~14709千克；

即使使用了低估的发动机性能曲线，F-35A仍然展示出了相对于典型第三代战斗机的优势。实际上，即使使用减重之前的AA-1重量数据代入计算，F-35A优势依然明显。当然，推重比不是飞行性能的全部。下面简要分析F-35的气动布局。
F-35外形就像一架缩水版的F-22。从机翼来看，采用展弦比3前缘后掠角30度的梯形翼，稍根比0.4左右，可以使展向载荷更加接近理想的椭圆分布，降低诱导阻力。和Su-27、F-16采用的前缘后掠角40~42度的梯形翼相比，跨/超音速阻力特性稍逊而亚音速性能更好。F-35前机身较宽，机身投影面积很大，大攻角飞行时有较好的机身升力，而其后机身明显变窄，不仅维持了单发机的后体阻力优势，也很好的控制了平均机身横截面积，其相对机身横截面积（平均机身横机面积/翼面积）较小，可能有减小跨/超音速阻力的考虑。在涡升力运用方面，F-35与F-22类似，都使用了机头侧棱、进气口上唇和进气道侧棱的三段绕合边条，虽然宽度较窄但有很长的有效长度。F-22的表演飞行经常出现划过翼跟的强劲涡流，可见三段绕合的威力。在影响到最大瞬盘的亚音速最大升力系数方面，可参考F-22的1.83，即认为F-35A的升力系数-攻角曲线的顶点纵坐标为1.83。实际上，考虑到F-35A和F-22的机翼平面形状差异，这个1.83甚至还可能有所低估。但我们知道，通常最大可用升力系数一般要小于其理论值，三代机只有F/A-18能将其全部发挥出来。而笔者的意见是，F-35和F/A-18一样能将其全部发挥，下面作详细说明。

15楼2012-07-19 14:50

可用升力系数的讨论
机翼升力系数（Cy）-攻角(α)曲线如图5所示。

图 5 升力系数曲线

16楼2012-07-19 14:52

在攻角达到α2之前，Cy线性增加。理论最大值为Cymax。α2通常出现在35度~45度之间。熟悉飞机性能的读者可能已经注意到，绝大多数三代机的攻角限制(α1)都小于这个数。这是因为早在机翼上表面发生气流分离之前，飞机的高攻角稳定性和可控性已经很成问题，尤其是对于单垂尾战机，航向稳定性因安定面被机身遮挡而受到很大削弱。实际上，即使是双垂尾战机，如果不使用明显外倾的双垂尾避开机翼和机身的阻挡，并且飞控系统跟不上的话，情况也不会有明显改观（如MIG-29A，攻角限制26度）。因此，最大可用升力系数Cymax’小于Cymax。
但对于高攻角性能出色的机种，如F/A-18而言，在攻角35度还可机动飞行，在45度还可操纵，在55度才会出现漂移（Drift）。其飞控设定的攻角限制(α1)在45度以上（新的F/A-18E/F在50度以上。F-22超过60度）。其α1已经大于α2，达到了α3（如图5所示）。因而Cymax’等于Cymax。这就是高攻角性能出色的机种能用到理论最大升力系数的原因。故现在的问题是：F-35的高攻角性能究竟如何？
F-35明显外倾的双垂尾很有为高攻角机动优化的味道；平尾尾缘向后伸出不小的尺寸，利用发动机的引射效果可以改善操纵效率；和F-22类似的菱形机头截面进一步提高了高攻角稳定性；宽阔的前机身在提高稳定性的同时也能贡献不少升力。而决定高攻角性能的另一关键——飞控，因为有了编写F-22控制率的殷实家底，洛.马理应不会让人失望。早在X-35试飞阶段，笔者曾根据这些有限的特征猜测F-35将会是一种高攻角性能极佳的战机。从2006年底，F-35通过数十架次的试飞，基本证实了笔者的推断。
F-35首席试飞员（同时也是唯一同时飞过F-22和F-35的人）Jon Beesley在报告中多次指出，对于未来的F-35飞行员而言，“高攻角特性将会令他们吃惊。”由于飞控将攻角上限放宽到了55度，在高攻角测试飞行中，F-35AA-1表现的和F-22非常类似，能完成后者的大多数过失速机动，只是因为没有推力矢量(TVC)的帮助而没有F-22那么灵敏。另外不出所料，为F-35和F-22编写控制率的是同一班人马，使得F-35的操纵特性十分接近F-22。在Jon Beesley眼中，“这就是一架小F-22”。
总的来说，F-35A有很大的可控攻角，而飞控的限制也较为宽松，攻角上限很高，在很大的范围内实现无顾虑操作。就此估计F-35A可以用到其理论最大升力系数应不为过，按1.83计算（可能略有低估）。

17楼2012-07-19 14:52

估算F-35A的瞬时盘旋速率
有了空战重量（14131.5千克~14709千克）和估计的最大可用升力系数（1.83），已经可以对F-35A的瞬时盘旋速率进行估算。其基本原理非常简单，圆周运动的相关动力学公式在中学已属必修内容，但须注意，盘旋过载应在9G（人体所能承受的过载上限）之下。笔者在此不一步步推导了，只给出大略的过程：
在9G盘旋中，即使为了保证高度不变而不压满90度坡度，其升力线与水平方向夹角的余弦值仍达0.994，很接近1。故可近似认为升力全部用于提供向心力。由圆周运动公式：
升力=1/2升力系数*空气密度*速度平方*机翼面积=向心力=速度*角速度*质量，9G=角速度*速度。机翼面积取公开数据43平方米。G取9.8牛顿/千克。空气密度取我国标准海平面大气密度1.225千克/立方米。联立这几个式子可解得角速度下限30.7度/秒，上限31.5度/秒。
虽然数值很高，但请注意这个结果和目前网上流传的诸如“只有幻影2000才能达到30度/秒的瞬盘”等数据不具备可比性。因为幻影2000等西方战机的空战载油系数明显高于Su-27SK。如果按幻影2000的载油系数，在对F-35A不利的估计下（如取AA-1的空重数据），F-35A相应的空战重量将会达到16054千克以上。相应的，可算得其瞬盘在29.4度/秒以下，仍稍低于幻影2000。有兴趣的读者可自行计算验证，笔者在此就不赘述了。不过这也说明一个事实：若考虑到AF-1的减重措施，现在的F-35A瞬盘性能已经接近或达到三代机的顶尖水平。大幅增加机翼面积的海军型F-35C无疑会有更出色的表现。
值得注意的是，对于同一型战机而言，即使统一高度，不同速度下的瞬盘也不是常数。上面提到的瞬盘都是海平面高度的峰值。而单纯的峰值比较并不能充分体现两架飞机的瞬盘性能优劣。因此笔者需再次指出一个误区：长期以来，我们经常可以见到某些比较战机性能的文章中出现诸如“A的瞬盘比B好”的说法。实际上这句话被省略了一部分，应为“在相同空速下（9G包线除外），A的瞬盘比B好”。言外之意，相同高度下，如果A和B的空速都是500公里/时，或者都是400公里/时，那么A有比B更高的瞬盘值。但如果A是400公里/时，B是500公里/时。则胜负就有可能易手。空速占优，可以扩大优势，或逆转劣势，或让两架峰值近似的战机表现出完全不同的实际瞬盘性能。而决定这一点的，正是下文将要讨论的。

18楼2012-07-19 14:53

收起回复

日	一	二	三	四	五	六

f35飞行性能探析

登录百度账号

扫二维码下载贴吧客户端