新/老苏-35的气动设计演进

文/中 秋   2016-12-16 16:32:33

◎苏-27的大尺寸机体具备非常大的发展潜力从苏-27S到苏-27M

苏-27是苏联80年代开始装备的高性能战斗机。苏-27虽然是为防空军设计的拦截机,但却拥有足以与F-15对抗的高机动性,又保持了拦截机的大航程和重火力,体积、成本和战斗力都要比同时代的米格-29高,是苏联空军装备的第一型重型战斗机。

苏联在70年代开始研制的米格-29和苏-27,都采用了翼身融合的高升力布局,但受到苏联当时飞控系统的技术能力制约,这两型机也都没有充分发挥边条的增升作用。米格-29的边条翼面积大,但边条的边缘较钝,人为削弱边条涡强度以降低机械增稳飞行控制系统的技术难度。苏-27采用了纵向多余度电传控制系统,但当时苏联的模拟电传控制精度不足,苏-27采取了缩小边条面积的方式控制涡强度,虽然降低了边条的气动增升效果,但与升力体机身组合后的气动效果仍然不错。

苏-27是苏联航空兵同时期先进技术应用最广泛的空战战斗机,大尺寸机体也具备非常大的发展潜力。苏联在80年代研制苏-27改进型时,利用了70年代末期的气动研究成果,以及电传飞行控制系统的技术进步,开始为空军研制高机动的苏-27M,与苏-27IB、苏-27K和防空军双座型苏-30组成了苏-27第一阶段的技术改进型,这些机型(苏-30由MK 开始)全部采用了增加前翼的三翼面布局。

前翼对苏系列战斗机的价值

苏-27的综合机动性相当不错,但与西方中型战斗机相比,格斗空战中的敏捷性还有不足。苏-27是空战重量超过20吨的重型战斗机,固有的性能局限是很难克服的,尤其是滚转速率受气动条件限制很大。

苏-27M是专为空军研制的远程空中优势战斗机,空战性能要压制北约2000年前可服役的主力战斗机,重点强化全高度和全速度范围的空战机动性,雷达火控和武器也进行了全面改进。苏-27M不仅要面对重型的F-15,还要与灵敏的F-16和“幻影”2000对抗,增强格斗机动性是改进重点。苏-27作为发动机宽间距的重型战斗机,想要和单发战斗机拼滚转是不现实的,但以苏-27较高的升力性能和动力条件,也有依靠大迎角稳定性和高俯仰速率获取垂直向机动性优势的条件。新增的前翼则成为增加纵向敏捷性,提高俯仰配平和气动控制效果的有效措施,增加前翼和增强边条涡后升力中心前移,也有利于改善综合机动性和配平前伸机头重量。

国内有个流传很久的观点,认为苏-27M增加前翼是为了配平机头新雷达的重量。不可否认的是前翼确实有“抬头”的气动效果,但苏-27系列的前

翼其实是型号设计的正常发展过程。根据公开资料的记载,苏霍伊早在上世纪80年代初期,也就是苏-27刚刚完成设计后不久的模型测试中,就根据空气动力试验结果认识到了增加前翼对提高机动性的作用。苏-27增加前翼的设计方案在1982年前后就已开始,通过测试的十几种三翼面布局,以边条为基点的上置、前置和不同安装角度的前翼方案,最终选择了在边条前段外侧附加前翼的布局。苏-27M的边条前翼的气动效能并不是最高的,但却是在满足不改变苏-27S系列基础气动布局要求时,能够选择的风险与效果最协调的前翼方案。

至于说前翼是用来平衡雷达重量的观点,完全不符合实际。苏-27P/S配用的H001雷达的技术水平不高,采用了沉重的卡塞格伦结构大口径天线,是电子技术能力向需求妥协的产物。苏-27M项目配套的H011雷达其实是T-10项目的预期配套设备,只是苏联电子技术水平难以满足实用技术要求,才使这型雷达没有与苏-27S共同装备。H011雷达的主机装置比H001略大,但雷达天线的口径则明显小于H011,并采用了轻重量的平板缝隙天线,雷达的重量比H001降低很多。至于新增加伸缩式空中受油管,改进电子设备等措施的重量影响也并不大。作为对比依据,同时期为防空军设计的苏-30的配置与苏-27M相似,并设置有机头结构重量更大的双座舱,却仍然维持着苏-27UB的常规布局,可见前翼并不存在配平机头的必然价值。

苏-27M应用前翼的主要目的是增升,同时提供了大迎角状态的气动控制能力,效果也比较理想,但前翼毕竟增加了气动阻力和结构重量,并导致机体前段的结构设计更加复杂,三翼面布局的双刃剑效应很快被实践所证明。

◎苏-27P

◎苏-27P配用的H001雷达(上)及苏-27M配套的H011雷达(右)从710到711

苏联在苏-27 开始交付的同时,就在研究增加矢量推力的技术改进措施,并用苏-27样机测试了二元和轴对称两种矢量喷管。早期测试证明矢量推力的控制效果很好,在气动面已经不起作用的超大迎角,仍然能够维持飞机足够的配平和操纵效应。苏-27M研制项目在苏联解体后开始放缓,已经生产出的样机作为出口项目推动,推力矢量作为战斗机高机动性改进措施,也以出口目标为投资渠道进行应用研究,增加矢量的711号苏-27M也被称为苏-37。

苏-37是给苏-27M/35预生产型增加矢量的样机。相比同批苏-35预生产型的技术状态,苏-37已经放弃了实用装备的系统完善性,而是通过三翼面与矢量技术的综合应用,成为高机动/超机动控制技术的专用飞行验证机。按照技术完善程度和飞行性能标准对比,苏-37是苏-35应用矢量技术的高机动验证方案,重点研究矢量与气动控制的综合。苏-30MKI则是直接利用三翼面与矢量成品,用以增强苏-30双座多用途战斗机的机动性。受到技术成熟度与成品性能的制约,苏-30MK的矢量与气动综合能力还处于简单交联标准。

苏-37和出口的苏-30MKI都采用三翼面和矢量,具备较好的飞行性能和部分过失速机动能力,但以飞行控制效果为目标去对比前翼和矢量,可以认为这两项应用技术的功能大部分是重叠的。前翼是依靠气动力矩实现俯仰控制,具备高响应速度和控制效果明显的优点,理论上可以实现60度迎角的气动配平,苏-35的飞行表演也体现出前翼具有很好的气动效能。前翼的弱点则是增加了重量和阻力,偏转翼面时涡的方向变化会影响到主翼,部分飞行状态下的前翼涡甚至是有害的。

推力矢量的优点是不需要改变飞机的气动外形,依靠发动机推力偏转辅助气动控制面。推力矢量的作用只靠发动机的推力,对飞机飞行状态变化的反应不明显,推力偏转对飞机的气动效果影响也不大,也不会在气动上形成明显的阻力增量。矢量推力的弱点是增加发动机的复杂程度,矢量工作时不仅会削弱推力性能,矢量偏转力矩的控制响应速度也比前翼要慢,简单控制需协同动作的翼面也比前翼多。◎苏-27M(上)和苏-37(右)

综合起来看,前翼的气动控制效果是明显的,但对飞机气动的影响范围较大。现代战斗机改进中有多个增加可控前翼的方案,真正规模化应用的只有苏-30MK系列,就是因为前翼布局对气动和飞控的改变太多,只有在全新制造的机体上才能充分发挥作用,并需要提供专门的设计和保障、维护体系支持。矢量推力相对前翼的俯仰状态控制效果相似,虽然响应速度略低,但不需要对机体进行大的改动,飞行过程中的控制应用范围也更广泛,后续技术发展的应用效果和作用范围更大,自然也更便宜。

◎苏-27SM3的武器挂载选项前翼有与无的内在选择因素

苏-27系列设计指标中存在跨音速过载降低的结构限制,这个问题的产生并不是体现在结构强度上,而是受飞机跨音速飞行状态存在的振动,及操纵力矩非线性导致的过载突增的影响。前翼本身增加了飞机涡升力的强度,同时也为飞机提供了高响应速度的控制翼面。前翼控制面的气动面积虽然不大,但处于翼面前端,气动控制效果好,能随飞行状态变化为飞机翼面增/卸载,维持飞行轨迹和过载的线性平稳,增加飞机在跨音速阶段的可用过载。

前翼的积极作用很早就被认识到,但三翼面布局的飞行控制难度较大,依靠模拟电传和增稳系统不可能充分发挥气动效果,反而容易因为各翼面相互配合不好出现矛盾。苏-27很早就考虑采用三翼面,充分发挥前翼的积极气动效应,但直到苏-27K/M才将前翼实用化,就是得益于苏联飞行控制技术的进步。

按苏霍伊设计局的设想,苏-27采用三翼面可明显提高升力性能,显著增强飞行动作的控制精度和机动性,对敏捷性的提高也有积极作用。苏-27M、苏-27K和苏-27IB都采用三翼面,但三翼面在市场推广中的效果却并不好,改动太大的方案也不适应俄罗斯紧张的经济。同时,苏-27M时代还不成熟的推力矢量技术的成熟应用,也使苏-27系列有了不改变气动布局也能获得大迎角主动控制能力的措施。

◎三翼面的气动效果,橙色箭头显示气流走向,黄色箭头显示前翼及平尾受力,白色箭头显示飞机运动趋势矢量VS前翼的效果对比

前翼的俯仰控制气动效应与平尾相似,但常规布局飞机的平尾处于机体后方,受机翼的物理和流体遮挡。前翼位置紧靠机体,又处于正迎流方向,气动面的单位面积控制效应远比平尾高。为避免前翼迎角控制超过限制,前翼的气动控制面相对较小,可用俯角也远超迎角,还要利用尾控制面(平尾或副翼)配平,需要时靠气动作用把机头“压”下去。

推力矢量的喷口轴线转向的速度很快,但现有的矢量推力并不能形成直接控制力,而是要将推力矢量所形成的侧向力矩传导到气动翼面上才会形成最终控制效果。现有技术条件的推力矢量必须与气动综合,发动机喷管位置又处于飞机的最后方,在飞机动力控制中存在滞后性,效率不如前翼。常规布局战斗机的前翼偏转如能实现差动操纵,还能形成效率很高的滚转力矩,有效缓解宽机身战斗机滚转速率低的弱点。

按照重量指标对比前翼和矢量。苏-27M的前翼采用全金属半硬壳结构,翼面的重量在140千克左右,含电传控制装置的全系统重量不低于230千克,扩大前边条的结构重量也接近100千克,不含配平的结构和系统总增重约340千克,前翼结构重量大致是全机结构重量的4%。苏-27M的前翼虽然增加了前段机体的结构重量,但前翼在正常飞行时可以形成正升力,并将飞机的静不安定度由5%放宽到15%,有效改善绝大部分飞行状态时的综合机动性能。

苏-27M设计时并没有要求具备矢量控制,从701到710制造时也没有考虑使用矢量发动机,直到被称为苏-37的711才开始正式应用推力矢量。基于AL31F所采用的推力矢量采用垂直向单轴对称喷口,实用型号最初应用于印度引进的苏-30MKI。按照现在已经公开的技术资料,苏-30MKI/苏-37的推力矢量增重250千克,喷管的预期工作寿命在250小时。矢量喷管的寿命看起来比发动机短很多,但正常飞行时并不需要频繁使用。依据模拟器试验的数据分析,空中优势战斗机一个作战架次飞行时间在80分钟时,矢量喷管只会在空战阶段间断使用约7分钟,工作寿命对喷管正常使用并不存在大的影响,主要问题是矢量喷管的维护要求比较高,单元体更换的间隔也比加力段发动机舱短。

苏-27M设计中采用纯气动控制,机体针对气动变化的更改量很大。苏30MKI则在实用前翼的同时应用矢量,虽然矢量还没有综合进飞行控制系统,但矢量增重缓解了前翼增重的配平压力,不过全机更改量仍然不小,而无前翼无矢量的苏-30MKK则最大程度保持了苏-27S/UB的结构以降低生产和维护成本,但机体结构强度与寿命确实与新设计的苏-30MKI存在明显差距。

◎苏-27SM(编号04及06)和苏-27SM3(编号51、53及小图)外观接近

◎AL31F M3发动机,这是厂家设计局编号苏-35BM的研制起点

苏-27M是苏联航空工业力图改善空军苏-27S性能局限的新型战斗机项目。苏-27M比苏-27S更重视远距离攻势作战的空优性能,可为苏-24/27IB和图-22M进行远程护航,自主和持续作战能力都比米格-29M更强。苏-27M采用三翼面的主要目的是增强机动性,前翼是高机动技术改进的核心,是在矢量推力还不成熟阶段应用的技术措施。

苏-27M在苏联解体后失去了装备目标,出口市场没有打开使项目最终停滞,俄罗斯航空兵只能继续维持已经装备的苏-27S/P。俄罗斯航空兵在过了经济最困难阶段后,认识到在装备时比较先进的苏-27系列,到本世纪初已经明显落后于西方同类机型,雷达航电和武器的落后程度最大,而飞机平台本身的整体性能还算合格。苏霍伊集团利用出口苏-27系列积攒的资金,并针对俄罗斯空军装备改进的需要,开发了以改进雷达火控为核心工作的苏-27SM项目,并细分出SM、SM2和SM3这几个针对不同改进范围的方案。俄罗斯航空兵迫切需要更新老旧的苏-27S/P机队,但长期缺乏维护使现役飞机的状态并不理想,能够改装的苏-27系列飞机数量不算多,改造中结构翻新的工作量也很大。如果以水平较高的SM2为标准实施改进,改装机的投资效费比难以理想。

苏-35BM就是针对新方案中雷达航电成本高、机体成本相对比例略低的实际情况,将机体的更改范围降低到最低的标准,集中有限资源重点改善作战系统的技术性能。苏-35BM从苏-27SM系列开始发展,就是一种单纯的苏-27改进方案,本来就没在批生产飞机上应用的前翼,在新方案中自然不会延续。

苏-27细长的尾锥限制了推力方向,矢量喷管只能在垂直向偏转,提供的仍然是俯仰方向的控制力矩。单轴矢量喷管对俯仰控制的作用与前翼接近,响应速度比前翼低,但矢量喷管可以通过差动实现滚转力矩,这个功能无法用纯增升前翼实现,采用差动前翼则要面对复杂的气动影响。

前翼能够提供直接气动控制效应,但前翼偏转所形成的气动影响较复杂,势必要在部分飞行状态时限制偏转角度,削弱了前翼对整体气动性能的积极作用。同时,前翼进行快速俯仰控制时产生的阻力较大,安装前翼所增加的边条也要增加阻力,致使用前翼控制时的能量衰减速度过快。苏-27系列的动力性能本来就不算好,三翼面又会导致飞机的自重增加,前翼等于是用飞机的能量性能换取敏捷性。苏-27的三翼面利用好了是利器,战术动作不理想就会造成不利影响。

按照苏-35BM的性能要求和技术特征,前翼和发动机矢量都是为了增强飞机的俯仰控制效能,均可以在垂直轴向提供较理想的操纵效果。苏-35S采用矢量喷管后取消了前翼,选择了与苏-27S相同的传统气动布局。这种气动措施是为了降低结构更改幅度,同时也是因为俄罗斯矢量喷管经过长时间的应用验证,技术性能和可靠性已经达到较高标准,能够与气动控制面共同组成综合飞控系统。苏-35S的矢量喷管重量大致仍然在200千克左右,远离重心所要求的前机身配平系数在1.3,大致与新换用的雷达和电子设备增重抵消。苏-35S用矢量喷管的重量与前机身配平,结合增加的载油空间和强化的机体结构,具备较理想的综合飞行性能和有限的过失速机动性。◎苏-35S(上)和苏-35BM(下)都没采用三翼面布局,而是靠矢量喷管来替代其气动作用

◎苏-34与苏-27系列的前部机体几乎没有共同之处最终的选择

苏-27系列目前的型号改进虽然比较多,但都没有脱离苏联时代的基础,苏-27M和苏-37也是苏-27系列改进技术的高端。苏-35S虽然是最新改进型,但这个型号的装备目标非常清楚,就是利用已经在苏-27/30系列上成熟应用的改进,用新制造的机体搭配上先进的航电和成品,在换代战斗机装备前补充现有战斗机部队。

苏-35S是在苏-27SM基础上发展的技术改进型,同时期俄军的重点装备目标是换代的T-50,苏-35S只被用来作为先进战斗机服役前的过渡。苏-35S的实际装备地位与苏联时代作为主力的苏-27M不同,这就限制了新技术和新装备应用的范围。同时,俄航空兵拥有庞大的装备基础,苏-27系列的技术状态虽已落后,但数百架飞机构成的维护保障体系仍然完整,维护人员和备件供应也形成了系统。

苏-35BM/S没采用三翼面气动布局不是因为前翼失去了气动控制价值,而是因为矢量推力能够替代前翼的气动作用,维持苏-27S气动布局可以最大程度利用现有资源,机体制造所需的工装和设备投资也最低。共青城苏霍伊生产线的未来寄托于T-50,在此之前为苏-35投入资源的远期价值不高,生产线改造所占用的资金还会影响到整体资源的分配,削弱T-50的投资规模。共青城作为苏霍伊的直属厂,不会干这样的蠢事。

苏-35BM设计时的主要意图就是生产新机体,以便在用苏-27SM方案改造部分苏-27S的同时,用新制造的苏-35S替换掉寿命不佳的苏-27S,改旧和换新针对的是苏-27机队不同的寿命状态。苏-35S采用以旧换新的装备思想,必然会出现服役装备混编的现象,苏-35S与苏-27S差异越小部队熟悉速度就越快,现有维护体系中可沿用的部分就越多,装备全寿命投入也就越少。

苏-27M并没有形成完整的批量生产线,苏-33的前机身设计与苏-27M相似,但缺乏订货的苏-33生产线已经被拆除。苏-34的前机身气动和结构更改量过大,与苏-27系列的前部机体几乎没有共同之处。苏-30SM的生产厂是与生产苏-35S的共青城相互竞争的,其生产的出口型苏-30MKI就是三翼面布局,因此其依托苏-30MKI的生产线所生产的苏-30SM系列也采用了带矢量和前翼的布局。总之,常规气动布局的苏-35S和三翼面布局的苏-30SM都是适应各自厂家生产基础的结果,这样做各自所需投资最低。简单的说,换成苏-30MKI的生产厂来设计和制造苏-35,绝对会是架三翼面布局的单座苏-30SM!

常规布局战斗机结合前翼形成的三翼面,对飞机的综合性能有明显的积极作用,但从苏-27M的设计过程也可以看出,在已有机型上改装增加前翼,前翼的气动效果与全机气动的综合难度很大,相互的牵制使很多有利因素难以充分发挥,推力矢量对气动干扰小的优点则更易在实用中得到体现。

俄罗斯经过苏-27系列后续改进的应用研究,清楚认识到三翼面与矢量各自的优势,最新的T-50看起来虽然是常规气动布局,但边条前缘的大型可动翼面,事实上就是将独立前翼综合到机体上的措施。T-50的前翼与边条一体化后,前翼偏转的气动效能虽然有所降低,但能把前翼涡与俯仰控制效应与边条综合,有效利用了前翼靠近机体和最先迎流的优点,最大限度削弱前翼对主翼的消极影响。T-50融合前翼的大迎角气动控制效应不如独立前翼,但推力矢量可弥补气动控制的不足,前翼的高气动控制效应又能补偿矢量响应速度的滞后,综合效果比屋上架屋的苏-27M更加理想。

作为最新改型的苏-35S采用常规气动布局,并不意味着前翼已失去气动价值。综合看,苏-35BM方案中以矢量替代前翼,T-50把前翼融合到边条内,都是对气动和控制综合的过程中,对不同技术平衡的取舍。◎苏-34的座舱非常宽敞

◎T-50融合前翼的大迎角气动效应不如独立前翼,但可以靠推力矢量

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