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T-50为什么不采用S形进气道?  

2010-04-12 02:32:58|  分类: 鹰击长空 |  标签: |举报 |字号 订阅

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1月29日,苏霍伊T-50首飞成功,这是俄罗斯航空史上近20年里最重要的事件。现役主力苏-27的首飞是在33年之前的1977年,即使算入西蒙诺夫 壮士断腕的大改,苏-27也在26年前的1984年开始服役,连中国第一批引进的苏-27都已经因为接近寿命极限而开始退役了。

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苏霍伊T-50首飞成功,欢呼者有之,讥嘲者有之,人人都像打了鸡血一样兴奋

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但很快人们就惊讶地发现,T-50的进气道没有足够的弯曲,发动机正面在雷达照射下一览无余

T-50是苏霍伊的公司代号,俄罗斯空军的正式代号还没有公布。T指三角翼,后掠翼或者前掠翼则用S作为代号,如前掠翼的S-37。作为俄罗斯用来和美国 F-22、F-35抗衡的第五代战斗机,T-50具有隐身、超音速巡航、超机动和网络战能力,在苏霍伊的公关资料里也不厌其烦地强调这一点。但随着T- 50照片的更多公布,人们惊讶地发现,T-50的进气道相对短直,无法容纳S形的弯曲,以屏蔽发动机的正面。这是违反隐身设计的基本原则的。苏霍伊的设计 师们不可能不了解这么基本的隐身原则,要做到这样的设计,也完全在苏霍伊的技术能力范围之内,S-37就采用了S形进气道。作为一架全新设计的战斗 机,T-50不采用S形进气道是为什么呢?

隐身包括雷达隐身和红外隐身。就对F-22的观察而言,对发动机结构进行屏蔽,采用矩形喷口,最大限度地增加喷流截面的周长,强化喷流和环境冷空气的混 合,这是降低红外特征的最好办法。对于机身表面气动加热产生的红外特征,目前还没有什么太好的办法。就已知的飞机设计而言隐身基本上以雷达隐身为主,红外 隐身是次要考虑。

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F-117靠多面体外形避免形成稳定回波,达到隐身目的

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F-22则得益于计算机技术的进步,采用连续可变曲率表面达到同样的目的,但可以和气动设计更好地结合起来,大大减少气动性能的损失

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F-22上各种边缘集中到有限的几个角度,使雷达反射集中到有限的几个方向,通过战术机动,可以避免稳定回波,减少被锁定的机会

雷达隐身不是在雷达上彻底消失,而是把可以可靠辨识的雷达特征降低到足够的程度,这已经是共识了。雷达是靠捕捉回波来探测目标的,回波的强度和稳定性是雷 达隐身的入手关键。稳定的回波容易捕捉,忽隐忽现的回波就不容易捕捉。F-117采用多面体的外形和多变的飞行航迹,使敌方雷达不容易获得稳定回波,这是 F-117隐身机理的重要部分。多面体不利于气动外形,随着计算机技术的高速发展,多面体外形演进到连续曲率表面,这就是F-22外形隐身机理的重要基 础。T-50应该也采用了连续曲率表面,但是否达到F-22同等水平,从图片上难以判别。避免稳定回波的另一个方面是将不可避免的回波集中到有限几个方 向,这主要体现在机翼、舱盖的前后缘统一到有限几个角度,并避免形成和前进方向垂直的边缘,这一点T-50做到了。

回波强度包括两个方面,一是材料本身的雷达反射特征,采用低反射材料(如非金属的复合材料)或者雷达吸波材料,都能有效地降低雷达反射强度。低反射材料的 使用受材料技术和结构应力设计的限制,雷达吸波材料的涂覆就相对容易,问题是雷达吸波材料的效果有限。雷达吸波材料的机理是所谓半波对消,这是由高导电介 质来实现的,通常是铁氧体。雷达波也是波动,波在穿过介质的时候,会发生相位的延迟。入射的雷达波的一部分在接触雷达吸波涂层表面时发生反射,另一部分进 入涂层,由于介质的高导电性,转成90度垂直下行,穿越涂层,达到基底的时候也发生发射,按90度垂直上行。如果涂层厚度为雷达波长的1/4,涂层使雷达 波在下行和上行过程中移相半个波长,在离开涂层表面的时候,和直接从表面反射的雷达波反相叠加,两者对消,达到吸波。这样的依靠波形相同、相位相反的反相 对消只能对特定波长有效,需要可变导电率的铁氧体和多层涂层才能满足最起码的隐身需要。另外铁氧体的高导电性也不能做到使入射波转成90度,所以入射波和 反射波在实际上并不能完全对消。现在的一般共识是,雷达吸波涂层的作用有限,飞机机体不能单靠雷达吸波涂层达到有意义的隐身,雷达隐身的最大贡献来自外形 隐身。但如果能迫使雷达波在吸波涂层上多次反射,每次吸收掉的雷达波能量累加起来还是很可观的。

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雷达吸波涂层的半波对消原理示意图,注意所谓吸波涂层实际上是“超导”涂层,最大限度地保留原波形强度,但把相位反相

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早年雷达吸波涂料都是黑的,SR-71成为“黑鸟”不是偶然的

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现在颜色多一点,也有灰的了

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烟幕到底隐身吗?这么大一片,不看见都不行,不过看不清目标的确切位置倒是事实。等离子隐身的目的就是这样的吗?大喊“狼来了”,就是看不清狼在哪

不过等离子体隐身是近年来很受追捧的魔幻科技。等离子体对雷达波像烟幕对可见光一样,具有有效的屏蔽作用。但等离子隐身就像烟幕一样,不是使目标在雷达上 消失,而是变成一大团模模糊糊的影子,使雷达无法确定目标的准确位置。宇宙飞船在返回大气层时,表面和空气摩擦产生巨大的热量,使周围空气极化,把再入中 的宇宙飞船包覆在等离子层之内,导致通信和雷达跟踪中断,这就是有名的“黑障”。但等离子隐身在战术飞机上的使用还有很多具体问题,比如如何产生足够等离 子体的能量的问题,如何保证等离子层吸附在飞机周围而不是立刻消散的问题,等离子体对发动机燃烧的影响,等离子层对飞机自身的通信和雷达的影响,等等。这 些或许不是不能解决的问题,但科学不是巫术,在人们对这些甚至更多的问题有一个合理的解释之前,仅仅一句“你怎么知道……”是不足以使人信服的。再者,如 果等离子隐身真像追捧者所说的那样,对飞机气动外形没有任何要求,可以使任何飞机变得超级隐身,那在现有战斗机上加装等离子隐身,就足以抗衡F-22、 F-35了,何苦费力设计T-50呢?总之,在对等离子隐身的认识增加之前,还是不能把这作为一个确定的事实。

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凹腔反射是隐身的大敌,即使平直入射,在一定的角度内,除了在壁面上的吸收,依然是回到入射方向的完全反射

回波强度的另一个方面就是凹腔反射。大平面或者垂直平面引起强反射,这个很容易理解。但凹腔反射实际上比平面反射更加有害。除了在反射过程中被壁面吸收的 部分,进入凹腔的雷达波完全反射回到入射方向,形成强烈回波。这个现象其实不难理解,对着井里吼一声,回声出奇地大,远远超过对着同等距离的墙面吼一声的 回声。发动机进气道恰好是这样一个凹腔,在凹腔的底上,还有和前进方向垂直的发动机正面,进一步加强了反射。发动机的风扇、压气机叶片一般是金属的,具有 很强的雷达反射特征。由于工作条件严酷,还无法涂覆雷达吸波涂层。高速转动的叶片形成有规律的回波,使敌方雷达很容易捕捉住,甚至可以通过对叶片转速的辨 识识别战斗机的型号。对于隐身战斗机来说,进气道隐身是头等要务,没有了进气道隐身,一切免谈。

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F-22的进气口和发动机就不在同一轴线上,加上进气道收缩-扩张的自然弯曲,可以对发动机正面形成较好的屏蔽

超音速战斗机的进气道都有所弯曲,即使米格-21那样的机头进气也不是直筒子,实际上也是绕过座舱而实际上是弯曲的。进气道不仅弯曲,还在进气口收缩、然 后扩张。这是为了节流后减速增压,改善发动机的进气条件。S形进气道加剧进气道的弯曲程度,使发动机正面不至于直接暴露在入射的雷达照射之下。加上进气道 壁面上涂覆雷达吸波材料,入射的雷达波只有在多次反射之后,才能达到发动机正面,在反射的回程上再经过多次反射,才能回到大气中。这样每次在壁面上反射一 次都吸收掉一点,最后的有效回波将被大大削弱,达到隐身的目的。

这些都是有关隐身的常识,然而苏霍伊的设计师却视而不见,其中定有蹊跷。但仔细研究一下T-50的基本参数,不难发现这蹊跷其实也没有那么蹊跷,实在是不 得已而为之。

尽管西方有把T-50成为“猛禽斯基”的习惯,T-50在气动设计上更多地延续了苏-27的传统,尤其是继承了大间距双发和翼身融合体的基本格局。这体现 了苏霍伊对跨音速格斗能力的重视,也反映了俄罗斯空军对未来空战场的理解。双发之间的“隧道”加厚,自然成为机内武器舱,提高隐身性能,还因为武器舱空间 较为完整、连贯而有利于装载各种武器。但这样的布局湿面积大,不利于超音速巡航。由于近20年的停顿,俄罗斯的发动机研发也受到严重影响,只能在AL- 31的基础上猛施伟哥,加大推力,真正的第五代发动机被打回母胎,重新孕育,2006年发出的第五代发动机招标在2007年被取消了,因为竞标的“土星” 和“礼炮”的方案都不能达到要求。最大推力大142kN的117S发动机自然从AL-31进了一大步,但还是离157kN的要求有很大的差距。在这样的情 况下,为了保证基本性能,T-50的最大起飞重量就受到了限制,只能停留在苏-27的重量级,而不能达到F-22的重量级。由于T-50的机内武器 舱,T-50的“密度”比苏-27要高,导致T-50的实际尺寸还略小于苏-27。据英国《飞行国际》杂志估计,T-50的长度为19.8米,苏-27为 21.9米;T-50的翼展为14.0米,苏-27为14.7米;T-50的正常起飞重量为21-22吨,苏-27为23.4吨;T-50的最大起飞重量 为33-35吨,苏-27为30.5吨。苏-27的翼下进气口本来就比较靠后,T-50采用了可动边条,进气口位置也无法靠前,在总长比苏-27还短的情 况下,进气道没有足够的空间布置S形,只好放弃。

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T-50重量和苏-27相仿,但实际上还要小一点,这样就没有足够的空间容纳S形进气道了

当然,放弃了S形进气道不等于放弃了进气道隐身。除了S形进气道,进气道雷达格栅也可以起到较好的隐身作用。F-117在进气口采用倾斜的雷达格栅,细小 的孔眼的尺寸小于典型雷达的波长,所以这就好比一个完整的倾斜平面,可以把雷达波发射到次要方向。这样的雷达格栅对进气口的影响太大,很难使用于超音速战 斗机,但这不妨碍在进气道内设置雷达格栅一样的雷达屏障。对于F-18E来说,进气道设计大局已定,无法采用S形,只有在发动机前设置一圈像风扇叶片一样 的导流片,固定的导流片表面涂覆雷达吸波涂层,从导流片的缝隙之间漏过去的雷达波在经过多次反射后才能返回到导流片的外侧,最终回到入射方向。波音用于和 F-35竞争的X-32也采用了类似的技术,不过X-32的导流片是可动的,可以针对不同的速度、高度和战术态势适当优化进气条件。

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F-117用细密的格栅对波长比孔眼尺度更大的雷达波形成事实上的完整的倾斜平面,用这个来把入射的雷达波反射到无害的方向上去

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雷达屏障原理示意图,如果巧妙设计的话,还可以迫使雷达的入射波和反射波的通路更加曲折,增加吸收的机会,改善隐身性能,但通常这也导致进气效率的更大损 失

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F-18E的雷达屏障清晰可见,这是F-18气动布局大局已定的情况下的亡羊补牢之举

但进气道内的雷达屏障毕竟还是近似于一个垂直于雷达入射方向的平面,其有效性取决于其雷达吸收能力,如前所述,光靠涂层和材料是很难达到高度隐身的,因此 这是只是对现有战斗机大改或者在进气道设计高度局限的情况下才使用的不得已的办法。F-18E属于前一种情况,X-32由于采用“四支柱”垂直起飞、着陆 机制,四个可动喷管必须两两设置在飞机的重心前后,发动机的位置只能很靠前,所以根本没有空间容纳S形进气道,只好采用雷达屏障,但美国空军对单靠雷达屏 障达到进气道隐身很不放心,这最终也成为X-32落选的原因之一。

T-50也采用了雷达屏障了吗?据《飞行国际》报道,第五代发动机将在2010年第一季度再次开标,但进一步的推迟将一点也不使人惊讶。“土星”设计局为 了提高中标的机会,已经和多个俄罗斯发动机研制、生产机构签订了合作协议,“土星”将负责总体设计,并和“进步”设计局合作设计核心发动机,乌法的NPP 发动机工厂将负责低压压气机和加力燃烧室,圣彼得堡的克利莫夫设计局将负责推力转向喷口、齿轮箱和辅助系统,但最有意思的是,莫斯科的“联盟”设计局将负 责进气口导流片和隐身事宜。也就是说,第五代发动机将依然倚重雷达屏障,现有的T-50进气道隐身采用同样的技术也就很自然了。

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把细节放大后,可以看到,导流片和发动机正面似乎有一点距离,支持T-50采用雷达屏障的分析

事实上,从已经流传出来的T-50进气道图片来看,发动机的正面似乎有导流片结构。有意思的是,导流片之间的间隙很大,或许这也是可动结构,可以针对不同 飞行和战术状态对进气流场最优化。问题是雷达屏障遮挡得越严实,隐身效果越好,但进气损失也越大,将要求增加进气道截面积和发动机推力,以补偿进气损 失,T-50作为一架新设计的战斗机,依然采用这样亡羊补牢的进气道隐身设计,使人对俄罗斯对第五代战斗机隐身性能产生疑问。

说到发动机,T-50的长度和翼展比F-22略大,但重量要轻很多,F-22的正常起飞重量达到29.3吨,最大起飞重量达到38.0吨,无疑“密度”比 T-50还高,相对于单位重量的机体湿面积比T-50小,有利于实现超音速巡航。加上T-50采用进气损失较大的雷达屏障,难怪需要采用和F-22的 F119发动机同等的推力才能达到同等的超巡性能,只是不知道什么时候T-50才能用上最终定型的第五代发动机。

和前掠翼的S-37不同,T-50具有明显的投产潜力,俄罗斯也信誓旦旦要在2013年交付空军,形成战斗力。但在第五代发动机还没有眉目的情况下,T- 50的大批投产是不可思议的。用过渡型发动机试飞是一回事,大批装备就是另一回事了。现有的117S发动机能实现的战斗机推重比已经和F-22相当,跨音 速机动性已经有了保证,但较大的湿面积和进气损失使得超巡性能达不到要求,俄罗斯是满足于缩水版的第五代战斗机,还是宁缺勿滥呢?这是一个有趣的问题。
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