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结合论文解读下新舰载的气动设计

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一楼放空,镇楼一个米格29


IP属地:广东1楼2022-07-10 11:30回复
    首先先声明一点
    论文只是论文,并不能代表真机的真实情况。在科研机构和院校中,出于职称评定、毕业、学术研讨、创新成果等原因,每年都会发布大量的论文,其中不乏以某个在产在研型号,经过脱密处理然后研究某个子系统甚至零部件的优化问题,而且通常作为对照参考的系统会选相对保守的原始构型,来凸显创新成果的收益。但是对于工程实践而已,子系统或零部件的选择,还得考虑可靠性、元件寿命/大修间隔、经济性等各项指标,而且要服从整体设计进行取舍,这就导致实际工程型号选用的子系统和零部件甚至某个局部的设计,会和论文描述大相径庭。因此论文仅作为一个参考项,而且要以实际工程型号为锚点来引申分析。如果生搬硬套论文,就很容易出现“能生接芒果的15式使用爆反”、“某20的可变DSI”、“52米长的苏式舰岛”之类的笑话。


    IP属地:广东2楼2022-07-10 12:32
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      首先讨论一下新机翼展和翼面积为啥做这么大
      作为舰载机首先要解决的是着舰起降性能,追求在较低的速度(220~260kmh之间),维持足够的升力托起起飞/着舰重量,并维持飞机的可操纵性,是作为舰载机的必要条件。
      考虑到新项目短平快,而且长期深耕常规布局存在技术路径的依赖,新海四基本继承了原验证机的常规布局+升力体机身。原鶻鹰验证机由于是侧重空优的陆基战斗机,为了保持较好的加减速、滚转、超音速性能,采取了相对较小的主翼(大约45平米左右,翼展11.5)。而且常规布局在襟副翼放下前,缺乏其他有效的增升手段。


      IP属地:广东4楼2022-07-10 12:36
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        这点可以参考国内院校对F35A的分析,可见在低速(0.3ma)下,最大升力系数仅有1.6左右,而在着舰常用的迎角10~15度时升力系数仅有0.6~0.9。简单分析不难计算出,即使不考虑配平,原有主翼也无法产生足够的升力维持稳定下滑。
        以下参考论文《隐身舰载战斗机气动力设计关键技术》

        而采用前后沿襟翼增升呢?由于战斗机的翼面设计特性,通常不会采用较长的平直翼或者后掠翼,因此很难有客机那样相对面积大,展向长度长的后缘襟翼。而且如上图论文所示,出于减重和隐身设计的考虑,难以采用增升效果好的开缝襟翼,仅能采用增升效果一般但是隐身容易处理的简单襟翼。


        IP属地:广东5楼2022-07-10 12:39
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          另外对于常规布局战斗机来说,前后沿襟翼通常不会在飞机的重心上,襟翼下偏时难免会产生一定低头力矩,用平尾配平的话平尾需要损失一部分升力甚至产生负升力来压机头(这也是为什么苏33/歼15增加了可动前翼的原因之一)。另外如平尾距离后缘襟翼过近的话(尤其是隐身战斗机追求翼面尽可能在同一平面),或后缘襟翼下偏角度较大的话,后缘襟翼后的下洗气流甚至湍流会干扰平尾工作。

          因此新舰载机的机尾采取了和论文接近的机尾上反,除了减少文中所述的配平阻力外,同时机身反弯也能提供一部分抬头力配平襟翼产生的低头力矩。另外还将平尾位置略往上抬升并且大幅度后移(这也是导致机长进一步加长的原因),一定程度上远离了后缘襟翼的下洗区,增加了平尾的配平操纵效率。


          IP属地:广东6楼2022-07-10 12:45
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            具体的设计细节就不展开说了,就说说从现在看到的情况来说,新舰载机采用什么方式增强起降性能吧:
            1、显著扩大主翼面积,保证在低速和迎角不可能较大的情况下,也能维持足够的升力。
            2、翼展扩大,一方面为了增加展弦比,以便于提升低速的升力(虽然如上部论文所说,在隐身和气动的约束下很难有大幅度的调整),另一方面增加襟翼占全翼面的长度,提升了襟翼的增升效果。
            3、考虑到隐身和结构设计难度,没有采用类似苏33/歼15的小前翼、类似F14的可伸缩边条、类似苏57的可动边条来做起降状态下的增升、配平,全靠翼面积和襟翼增升效果以及更为先进的飞控,调节前后沿襟翼的角度组合来提高增升效果。
            4、为了减少平尾配平时的升力损失,以及减少襟翼下偏时对平尾的工作干扰,维持平尾的操纵能力。因此将平尾显著后移,通过增大操纵力臂来实现以上目标。同时通过显著扩大平尾面积,提升平尾的配平和操作效果。同时后机身有一定的上反,也是出于同样的考虑。
            5、为保证起降低速飞行的操控稳定性,满足着舰对滚转操控的要求,采用襟副翼分离的主翼舵面方案(当然这意味着飞控和鶻验证机毫无关联了)。
            6、显著扩大垂尾面积,在高度不允许增加过多的要求下(毕竟机库不是无限高),通过扩展弦向尺寸实现翼面积扩大。保证低速和高速飞行下的水平方向稳定性。


            IP属地:广东7楼2022-07-10 12:45
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              之前流传的某个海四的想象图……按现在真机来看翼展扩大的程度基本和本图接近,机身长度可能更长,同时机翼前缘后掠角更大所以翼面积也比这张图大。
              为了满足舰载要求气动设计上向低速增升和操纵大幅度妥协,这就是新舰载机尺寸做到如此程度,成为妥妥的重型舰载机的原因之一。


              IP属地:广东8楼2022-07-10 12:48
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                新海四的气动优化方向与超巡能力畅想
                首先,对于五代战斗机来说,超巡是一个至关重要的性能指标。飞机的超巡性能决定了在空战中选择对对手打击时机的先手优势,同样压缩了敌方地空单位发现、追踪、响应、打击的窗口,无论是海军航空兵自己的论文,还是设计所人员自己的论文描述,无不展示对飞机超巡性能的极大关切。
                《固定翼舰载战斗机关键技术与未来发展》


                IP属地:广东9楼2022-07-10 12:50
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                  那么新舰载机的超巡性能和气动优化是如何呢?我们不妨根据公开的论文,进行一定的猜测。
                  首先不同于无尾布局或者鸭式布局,常规布局的主翼通常在机体中部偏后位置,翼展最大处往往在重心稍后的位置,这里往往同时是发动机进气口/风扇的位置,受限于发动机固有尺寸和形状,该处机身截面通常也较大,两者叠加导致在该处全机截面积达到顶峰。同时受限于隐身设计,对翼展较大处机身的面积率修型难以处理。另按传统主弹舱布置方式,需布置在S进气道下方,并且主弹舱通常延伸至接近重心位置。这两个隐身设计要求导致翼展最大处机体截面面积再创新高,不利于高速下的减阻。

                  (这里可以参考下韩国人这个预留了弹舱空间的大框……双发带并列弹舱的战斗机这个部位大概都这样,也是机身厚度最大的那段,大差不差)


                  IP属地:广东10楼2022-07-10 12:52
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                    同样,具体设计细节不纠结,反正现在也没有更清晰的图,更加没有眼神风洞,还是根据论文的只言片语去猜测实机是怎么处理的吧。

                    还是这篇《隐身舰载战斗机气动力设计关键技术》,本文以非常大的篇幅,描述如何优化跨声速段的波阻之类的控制,并以此为依据对机头、进气道唇口、座舱盖后脊背、发动机上舱盖等位置进行曲面优化。而文中基本未提及亚音速段以及超音速段如何减阻或者增升。


                    IP属地:广东11楼2022-07-10 13:01
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                      因此结合实机状态,可以提出一个暴论:
                      新海四的气动主要优化方向是跨音速段的减阻,通过较小的跨音速段阻力,提高了在高亚音速巡航状态下的巡航升阻比,从而增加作战半径或提升高亚音速巡航下的滞空时间,满足军方对以上两个指标的要求。同时较低的跨音速阻力,有利于飞机在开启加力的情况下更快地加速,进入超音速飞行的加速时间更短,满足跨音速段加速和超音速截击响应的要求。但是相对的超音速段的减阻难以兼顾,不开加力超巡的性能可能不容乐观。


                      IP属地:广东12楼2022-07-10 13:01
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                        从以上需求分析,我们可以把未来舰载机的性能重要性进行一个简单的排序:
                        1)雷达和红外波段的隐身能力(废话,这是及格线)
                        2)大航程与大作战半径(尽可能前出巡逻以及拉大敌方目标与我方舰队的安全距离)
                        3)融合多种传感器的高态势感知(不像陆地上有反隐身雷达和大量无人机、干扰机等提供支援,孤悬海外的航母舰队无论是放飞数量还是其他海面传感器都相对较少,舰载机很多时候需要靠自己)4)较长的滞空能力(以更少的巡逻机放飞架次维持足够时长的巡逻,减少对母舰放飞/回收能力的占用,确保面对突发情况的响应和攻击能力)
                        5)超音速巡航与机动能力(增加己方对空对面弹药射程,压缩对方空空或面空弹药的不可逃逸区,增加拦截和局部空中数量优势,提高舰载战斗机生存能力)
                        6)弹舱和机翼下较强的携带弹药能力(载弹量这种东西多就是好)
                        7)爬升加速占位能力(抢占有利阵位发起攻击)
                        8)过失速机动和格斗性能(不能说不要,但是大部分场景还是靠中距弹偷鸡吧)


                        IP属地:广东15楼2022-07-10 13:03
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                          然后我们再看看新海四为何气动设计取舍上倾向于跨音速段减阻吧。
                          首先前文已述,为了维持较好的低速起降性能以及隐身性能,新舰载具有五代机里最大的翼展,而且出于襟翼配平原因而主翼位置相对靠中,因此中段机身的整机截面积较大。因此新舰载难以像F22那样做成主翼比较靠后的伪无尾布局,更无法像某20那样鸭式布局主翼完全靠后完美避开弹舱位置,也没有采用苏57那样减少全机截面积的串列主弹舱和超薄中央升力体机身,在超音速减阻上,明显无法达到以上三款超音速减阻优先的飞机的水平(所以某些跑火车的说新舰载比某20气动设计更强所以超巡性能更好什么的,当相声听就好)。在此基础上,减少超音速阻力将会极为困难,或者说进行进一步设计优化的效果较为有限,在这方面死扣意义不是非常大。


                          IP属地:广东16楼2022-07-10 13:05
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                            大航程和长滞空能力的需求优先度较为靠前(没一个内油航程爬过2500的双中推中型机纷纷泪流满面),优化这方面性能无非是提高巡航升阻比、降低发动机耗油率、以及提升燃油量。抛开发动机不谈,同样先忽略柔性蒙皮可变机翼之类还没成熟的新技术,无非就是通过减低典型巡航速度下的阻力,以及简单粗暴提升燃料装载量。上述论文中主要描述的各个部位的曲线优化,主要目的就是降低跨音速段的阻力,首先起到的效果就是显著提升高亚音速飞行的巡航升阻比,让飞机以较小的发动机推力维持高亚音速巡航。同时如机脊的加高加厚,发动机舱加厚等操作,也会显著提升机体内油装载空间,实现更多燃油装载量的目标(当然这是要增加空重和增加常规起飞重量的)。
                            那超巡的性能需求怎么满足呢?那当然就是减阻不够,推力来凑咯。得益于跨音速段减阻效果优秀,在大推力发动机开加力的加持下,新舰载机可以从上述的高亚音速巡航状态快速跨过音障,并持续加速。到较为理想的速度段时(可能是1.3~1.5马赫某个位置),大推力发动机在那个速度段和高度产生的军推就足以平衡此时的飞行阻力,此时关闭加力即可进入超巡状态。因此这再次说明使用两台大推力发动机的重要性和必要性。


                            IP属地:广东17楼2022-07-10 13:05
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                              当然了,要进一步加速的话阻力可能急剧上升,追求那几个超巡优化机的1.6~1.8马赫超巡还是比较困难的。但是根据相关文献分析,大部分空战通常都发生在跨音速段,因此1.3马赫左右超巡并且爬升占位,扔导弹远距攻击什么的,虽然不够理想,但是也足够对某些亚音速战斗机建立一定性能优势了。同时为了提升起降性能而加长的机体以及靠后的平尾(以及为其提供支撑受力的巨大尾撑),在超音速飞行时也能提供较好的配平和俯仰操纵能力,配合矢量发动机可保证一定的超音速机动性能。
                              至于载弹与外挂能力,只要基础起降升力够就行,结构上再进行相应加强,维持两对可挂载重荷载的外挂架。即使损失一点折叠后宽度也无所谓了。
                              而对于现代海军战斗机而言,进行激烈的近距格斗以及玩各种过失速大过载低速花活的需求较少,因此新机没有像传统五代机那样追求超机动和大迎角控制性能指标,甚至连优化大迎角升力和操纵性能的大边条都没有出现,实在有极端情况还是得寄希望于矢量发动机。


                              IP属地:广东18楼2022-07-10 13:06
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