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晨枫小苑

来的都是客,相逢握握手

 
 
 

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晨枫  

西西河水浪打浪,一浪打到网易上。我本是喜欢纸上谈兵的一介草民,在西西河那边开了一个小铺子,这是海外华人的一个精神家园。我是一个一坐下来就不动窝的懒人,但架不住友人的邀请,到网易也开了一个茶摊。阿庆嫂是怎么说来着:来的都是客。希望您能喜欢我这小号。来来来,先握一个手! 当然,主有主规,客有客道。请勿随地吐痰,喧哗扰众,或者乱贴小广告。不欢迎指桑骂槐,更不准恶语伤人。

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关于歼-11D   

2015-05-10 10:55:39|  分类: 鹰击长空 |  标签: |举报 |字号 订阅

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网上流传出歼-11D的图片,这是歼-11的最新型号。



在缺乏官方信息的情况下,只有从外观上看,歼-11D采用了大量复合材料(绿色部分)和主动电扫雷达(斜切的雷达罩),还可能换装了“太行”发动机,但基 本气动形状没有改动。现有平台改进是一个很讲究的平衡,改动小了不过瘾,改动大了不如全新设计,沈飞把改进集中在结构和航电是有道理的。

苏-27的基本航电是80年代的苏联水平,早就过时了。歼-11D座舱内部没有图片,只能猜,估计“玻璃化”程度很高,大量采用LCD,说不定基本飞行仪 表已经降低到最低限度甚至取消。中杆操纵估计不会改,但既然已经改数字飞控了,要改侧杆操纵也很容易。数据链是必不可少的,机载自卫电子战系统应该也是必 不可少的,可以与改进的IRST配合使用,被动探测空中和地面威胁。最大亮点在主动电扫雷达,这大大提高了雷达的探测、跟踪和火控性能。常规机扫雷达在跟 踪和搜索之间只能两取一,边搜索边跟踪是用软件填补缺失信息,并根据目标运动规律预估扫描间隙中的运动方向和速度。在可以可靠地再次捕获目标时,这没有问 题,等到下一次扫描时更新目标信息就可以了。但隐身目标的特点就是低截获概率,再次捕获并不可靠,很容易丢失目标。专注跟踪可以解决问题,这就像用目力搜 索跟踪一样,看到忽隐忽现的目标,盯住看比不时扫一眼要容易保持可靠跟踪,但这就要放弃对空中战场的一般掌控,容易错失其他目标、陷入被动。主动电扫可以 分出若干波束,扫描和跟踪两不误。另外,主动电扫雷达还可以通过波束的快速移动,不规则扫描战场空间,并快速根据目标性质、距离增减功率,可以把自身信号 伪装成战场上常见的无害电磁噪声,增加对手预警和定位难度。主动电扫雷达还可以用作电磁压制甚至高速数据链传输。这是新型战斗机居家旅行、杀人越货的必备 利器。

苏-27的基本设计是有缺陷的。为了减重,苏-27有意弱化了机体结构,但这缩短机体疲劳寿命,在不太长的高g使用后就容易出现结构劳损,中国在90年代 初购买的第一批苏-27在几年前就因为这而退役了。机体强度不足也使得增加起飞重量很困难,即使发动机推力增加,起飞重量也受到结构强度的限制。这也使得 延寿和中期改装很困难,缺乏足够的机体寿命的话,大幅度改装是浪费时间。连结构一起加强是可以的,但还是有一个度,到了要把所有主要结构件都换一遍的时 候,这就是重造一架飞机了,还延什么寿、改什么装呢?苏-30在外观上与双座苏-27没有什么不同,但在结构上大大增强,不仅提高使用寿命,也增加了挂弹 能力,就是为了解决这个问题。沈飞在歼-11D上大量采用复合材料,肯定要对结构进行全面的重新设计,希望沈飞利用这个机会,一举解决苏-27原始设计中 强度不足的问题。

据说从歼-11B开始,沈飞就改用数字飞控了,但只是把苏-27的模拟飞控数字化,并没有大幅度增加新功能。这是谨慎的做法,但沈飞不应该停留于此。模拟 控制律的数字化不难做到。模拟计算机用运算放大器的组合实现各种计算功能,可以算作纯硬件实现的计算机。这是早期数字计算机速度和可靠性不足时的一种过渡 措施,技术门槛较低。F-16A的电传飞控也是模拟的。但模拟计算机的硬件实现特性使得功能的增加和升级很困难,这也是数字计算机迅速取代模拟计算机的重 要原因之一。现在电影Imitation Game看的人很多了,但电影里一句话很误导:图灵奠定了现代计算机的基础。这句话又对又不对。图灵机不是电影里的这个机器,图灵机是一个概念,是虚拟 的,不是具体的机器或者设计。图灵机的核心在于决策过程,根据当前的状态和结果决定下一步的决策试验,摸着石头过河。这是人工智能的基础,也在一定程度上 是计算机软件编程的基础,但计算机的真正基础是诺依曼的二进制。二进制不是诺依曼发明的,但诺依曼把二进制用于计算机,奠定了数字计算机。二进制把连续域 的数值计算和离散域的判断有机结合起来,任何连续数值都可以用一个二进制数值完全描述,另一方面,二进制的0和1又是天然的描述“是/否”、“好/坏”、 “对/错”这样的逻辑变量的载体。由于这个特点,数字计算机不仅可以做1+1=2,还可以进行IF……THEN……这样的判断决策。这就是数字计算机最大 的生命力所在。模拟飞控的数字化只是利用了1+1=2这一部分能力,只用到数字飞控能力的九牛一毛。

数字飞控可以做的事情非常多,对飞行员操纵动作过滤是很起码的。飞行员动作过猛,容易造成失控。这就是数字飞控IF……THEN……发挥作用的时候了。飞 机气动数学模型可以根据当前速度、高度、过载、横滚角、迎角、推力、重量等参数计算当前的飞控动作极限值,对于超过极限的飞行员动作,数字飞控可以自动限 制在安全的极限值,但这种方式现在越来越少用。气动模型常常只能计算静态预估值,动态不是不能计算,但动态轨迹取决于过去、当前、将来的连续操纵输入,计 算机不可能知道飞行员的心思,只知道过去和当前的操纵输入,但无法预测将来的操纵输入,所以动态预测能力有限。但飞行员是知道自己心思的。有时候情况紧 急,暂时做出过度动作,避开眼前的危险,过后是有时间恢复的。空客A320多次撞山,就是因为数字飞控不让飞行员暂时否决操纵极限的结果。波音用顿挫的方 法,在超过极限时,飞行员要用力拉杆,但还是能否决数字飞控的操纵极限的,同时额外的用力也提醒飞行员已经超过极限,必须马上采取措施恢复。现在数字飞控 很多采用这样的软极限,用某种方式提醒飞行员注意,比如增加杆的阻尼或者引入需要强行拉过的顿挫。这超过了直接的模拟飞控数字化,但还是容易做到的。

数字飞控的好处还在于可以用巧妙的气动控制组合实现传统飞控难以实现的动作,甚至减免传统气动控制面。在80年代,随动布局曾经是很流行的概念,用额外的 控制面(比如常规鸭翼和机头下相当于小型垂尾的鸭翼)可以实现直接力控制,在不改变飞机指向的的情况下,直接横移或者上下移动。这对提高航炮命中率和投弹 精确性具有很大作用。但额外控制面增加阻力和重量,空战导弹化和对地攻击精确制导弹药化使得直接力控制的价值大大下降。最重要的是,数字飞控可以通过传统 控制面的非常规组合实现直接力控制。比如说,襟翼和平尾合作,可以实现直接升降;一侧副翼(需要另一侧襟翼补偿)与垂尾合作,可以实现直接横移。直接力控 制的另一种做法是在不改变飞行轨迹的同时,改变机头指向,比如在前飞中点一下头然后恢复,或者偏一下头然后恢复。用数字飞控实现直接力的幅度不如随动布 局,但够用了。把思路拓宽一点,襟翼、副翼和平尾合作,甚至加上垂尾(双垂尾的方向舵同时向内侧或者外侧翻转),还可以取代减速板。苏-35就是这样的。 取消减速板的意义重大,节约了很多重量和体积,减少了开口、动作部件和维修工作量,还增加了机体结构强度、增加了机内燃油量。

数字飞控的另一个强项是与发动机、火力控制交联。发动机控制是与飞行控制既独立又相关的东西。发动机要加速,不是“一踩油门”就完事了,转速既要迅速上 升,又要稳定上升,避免出现大幅度的超速。动态过程的跃升跃降是一个振荡过程,控制输入直线上升的话,被控制变量并不是紧贴控制输入直线上升,通常在起始 时拖拖沓沓,有一个滞后;但在接近终点的时候,惯性发挥作用,经常要越过终点,然后再跌落回来,有时还要来回振荡几次才能最终稳定下来。电梯控制有时就是 这样,调试不好的话,到达指定楼层时不是干净利索地停下来,而是上下抖几次才停下来。电梯上升速度越快,抖动幅度越大。在控制上,这叫超调 (overshoot)。降低控制增益(电梯慢慢爬),是可以降低甚至避免超调的,但控制响应太慢。对于发动机来说,最大转速是固定的,超过了轻则缩短发 动机寿命,重则造成机械损坏。为了避免超速,可能被迫降低响应速度,影响飞行性能。通过可变控制增益,是可以做到快速但低超调的响应的,但这用模拟控制律 很难做到,这又是模拟控制数字化可能错失的机会了。全权数字发动机控制(简称FADEC)不仅可以实现复杂控制律,也同样可以限制飞行员操纵输入,避免过 猛动作导致喘振、熄火等现象。FADEC也可以根据飞行速度、高度等大气参数自动优化可调进气道、喷管,最大限度发挥发动机性能,或者节油。

但FADEC与数字飞控交联的话,1+1就大于1了。数字飞控知道FADEC的“心思”,知道动力正在增加,等到自己的动作到位时,推力也将到位,可以放 心大胆地去做,而不用担心到时候发动机掉链子;发动机也知道飞控的“心思”,知道正在做什么样的飞行动作,需要提前准备,调整进气道、喷管、燃烧室和加 力,而不是不看路的埋头拉车。这样的有协调、有预见的控制动作比单纯根据当前状态的分别控制要主动得多,有效得多,也避免了两者互相“追逐”,最大限度地 发挥飞机-发动机的潜力。一旦发动机具有推力转向,FADEC与数字飞控的交联更加重要,气动控制与推力转向控制在不同的速度、高度和飞行姿态下发挥作 用,只有浑然一体的FADEC和数字飞控才能无缝实现。

更高层次在于数字飞控-FADEC与火控的交联。战斗机是用来打仗的,火力控制是用于把弹药(不管是航炮炮弹还是制导炸弹或者空空导弹)送到有效杀伤范围 里的。航炮发射需要飞行员把战斗机与敌机三点连一线。实际上,由于自己的飞机和敌机都在运动,炮弹在空中飞行时根据出膛时飞机的速度、转向、高度(大气密 度)不同也有一个“甩动”的轨迹,机动飞行中用航炮攻击机动敌机是一个高度复杂的气动和弹道计算,不仅要把飞机运动到位,还要在准确的时机击发。一战德国 空战王牌里希特霍芬的绝技就是在机动滚转中击落同样机动滚转的敌机,现代飞火发联控可以可靠实现里希特霍芬的绝技,在飞行员激烈滚转的过程中在最佳时刻击 发,甚至把战斗机当作大型导弹,自动引导进入最佳发射位置,然后击发。

航炮用于空战越来越少了,但空空导弹的发射同样有机动和发射时机的问题。空空导弹有截获区和必杀区,把敌机套入必杀区再发射导弹,和用航炮攻击有很大的相 似之处。当然,这是指近距格斗的情况,超视距空战不需要这样的机动。但在遭到敌人导弹攻击的时候,用激烈机动缩小甚至逃离必杀区,在最佳时刻释放红外和雷 达干扰,这又与空战格斗异曲同工。投放制导炸弹也是一样,需要一定的姿态和速度,飞火发联控可以在一次通过中投放多枚弹药,增加打击效率。

这一切都是模拟控制数字化所不能做到的,必须最大限度发挥全数字的威力。除了基本的硬件构架,这当然是软件的事情了。模拟控制数字化后,通过模块化,逐步 增加功能,这是稳妥的思路。问题是,模块化的道理谁都懂,但具体做起来不容易。模块的划分很有讲究,太大了,新功能容易碰到“跨模块”的问题;太小了,系 统管理负担太重;小到极端,实际上就是非模块化的“原子化”编程了。模块组织和界面的定义很考验功力,这就要看沈飞的了。

这些都是软改进,但苏-27的基本气动是有硬改进余地的。苏-27不是静不稳定设计,而是临界稳定设计。这部分利用了放宽静稳定度的好处,又降低了技术风 险。坏处则是潜力没有挖尽。对于缺乏气动计算能力和经验的80年代苏联航空来说,这样做是稳妥的。但40年后还一成不变,就有点不思进取了。采用F- 18E那样的哥特式边条(即使没有那么大)可以把气动中心前移,放宽静稳定性,大大解放机动性。在激进一点,可以把圆截面的机头锥增加侧棱,不仅提高隐身 性能,还可与边条形成有利交互作用,但这个改动比较大了。直立的双垂尾像波音“沉默鹰”那样适当外倾,可以显著降低侧向RCS。增大方向舵的相对面积,把 双垂尾接近全动垂尾(像歼-20)那样处理,可以缩小垂尾面积、降低重量和RCS。进气道采用F-18E那样的雷达屏障可以显著降低前向RCS。这些措施 不能使歼-11成为隐身战斗机,但依然可以显著降低可探测性,是有意义的。

歼-11这样改有意义吗?这个问题要这么看。如果歼-11已经在生产周期尾声,这样的改进就没有必要。但歼-11要是还要生产10-20年,新飞机的使用 寿命至少30年,那就要考虑现在的设计在40-50年后还有多少生命力的问题了。歼-20还没有服役,形成批量更是遥远,估计歼-11还要“当家”一段时 间。因此,这样的改进十分必要。从已知的粗略信息看,沈飞的数字飞控还处于较初级的阶段,也没有像苏-35那样取消减速板,基本上局限与“全软”改进。沈飞不能消极守成、不思进取。
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