成飞第四代战斗机总体设计及气动特点初步分析

成飞第四代战斗机总体设计及气动特点初步分析

主要依据均来源于网上图片
4代机总体布局为较大后掠切尖三角翼或较大后掠梯形翼鸭式布局飞机。
主翼可以确定为带前缘锥形扭转和机动襟翼的中小展弦比上单翼，翼身融合布置，翼身结合非常像F22，典型的兼顾隐身需要的升力体设计。主翼前缘后掠在55度左右，但不会超过60度，翼面积至少70平米。机翼的选择是折衷的过程，如果采用展弦比2.3左右、后掠55度左右的机翼，比较有利于鸭式布局飞机跨音速至超音速飞行性能需要（低波阻和低配平阻力）。鸭式布局不像常规布局，展弦比和正常布局飞机相当时宜采用大后掠机翼，这样焦点比较靠后，利于提高鸭翼配平力臂，而且超音速焦点移动量小。较大后掠机翼前缘大迎角时可产生脱体涡，能推迟分离和贡献部分升力，可用迎角和升力系数比较大，且有利于大迎角稳定飞行。战斗机主翼选择应遵循结构效率高、机翼外形简洁的设计，相对厚度要求较小，可通过前后缘变弯提高升力特性。高升力特性的基本翼并不适合要求全包线高飞行性能的4代使用，全机升阻比需要通过综合设计提高。
鸭翼为带小幅度上反的中等展弦比后掠梯形翼，后掠可能比主翼小，而展弦比必定较主翼大。从涡升力的角度讲鸭翼选择60度左右的大后掠是合适的，大迎角时和主翼构成强双涡系增升，最大CL比较出色。从隐身的角度讲前缘后掠和主翼相当比较好。但是对要求大升阻比的4代，鸭翼应选择升力特性比较好的翼外形，以减小配平阻力，提高全机配平升阻比，故应选择展弦比3.0以上的中等后掠鸭翼。上反估计是为了能对主翼外翼段形成有利下洗，延缓和改善外翼段的上表面气流分离，同时给主翼脱体涡提供能量，亦可改善主翼的升力非线性问题。鸭翼下偏角估计要达到65度以上，以便超大迎角时仍能提供足够的下俯操纵力矩。鸭翼看作准远耦布置，从升力影响特点看不如近耦强烈，但从配平角度看却是合适的，近耦鸭翼大超音速时的配平阻力往往是很大的。
4代综合考虑亚音速和超音速的升阻比要求，鸭翼迎角为零时静稳定度放宽估计在8%--5%左右，亚音速平飞时宜鸭翼和副翼同时偏转（此时鸭翼和主翼皆有抬头力矩，需副翼偏转配平），配平升力便是额外的升力加成，特别是鸭翼升力特性较好时可获得较为理想的全机巡航升阻比。超音速时焦点后移，最好取较小的纵向正静稳定度，这样有利于远耦鸭翼的配平减阻，因为鸭翼力臂较长，不需大的偏转就能平衡低头力矩，配平升阻比甚至可高于正常布局飞机，

而由于鸭翼面积小，整机空重就可能比性能相当的正常布局飞机小。其实对于要求高超音速机动能力的鸭式布局飞机而言，漂亮并不是最重要的，配平力臂较长、升力特性较好的鸭翼才是实用的选择。
垂尾采用全动形式，等于超大面积方向舵。垂尾在满足最大马赫数下的航向动稳定性需要后主要考虑大迎角的抗偏离能力及侧风起降能力，其中大迎角的抗偏离能力往往是先进作战飞机的重点考虑。全动垂尾如能于飞控和传感器交联，在大迎角时应用主动控制技术抗偏离能力强，且为大间隔外倾双垂尾，可保证发生偏离时总有一侧垂尾在前机身来流之外，全动设计此时便可提供足够的航向操纵力矩。当大迎角下不能采用副翼绕飞机体轴滚转时需采用方向舵绕速度矢量滚转，大舵效的全动垂尾可提供较大的滚转速率。如果飞控设计得当，具有侧向力主动控制能力，就可起到TVC的作用，控制飞机完成一些过失速机动，如蹬壁机动后再接一连窜的绕Y轴旋转机动。大倾斜垂尾同时向内/外侧最大幅度偏转时平飞时便是巨大的减速板，部分偏转时可贡献一部分垂直升力分量，用于姿态控制。
机身采用类似F22的紧凑形肋下进气方式，横截面积小，机身长宽比较大，有利于超音速减阻。而且机身浸润面积小，翼面积相对机身截面积比例较大，浸润面积展弦比较大，前者利于超音速减阻，后者利于亚音速提高巡航升阻比。这点和F22的设计相似。肋下进气道带有复合弯道，由于DSI鼓包的遮挡作用，S弯不需很大就能遮住叶片，这样对机内空间利用和结构设计均有利，进气道设计也简单些。尾部采用较为紧凑的窄尾设计，亦对超音速尾部减阻有利。机头带棱边，隐身的同时大迎角能拉出脱体涡，可改善鸭翼的流场，对鸭翼的升力非线性和配平能力均有利。机身上下表面平整光滑，类似F22，比T50优越的多。
隐身性方面主要考虑迎头RCS的缩小，同时兼顾后半球隐身和上下机身隐身，这和4代的防御定位有关系，毕竟有防空网依托，如果4代有超巡能力，BVR中敌机处于我机后半球时是极难获得射击条件的。前半球RCS由于有鸭翼的存在和前机身综合优化可能不及F22，RCS尖峰数可能比F22多几个，平均RCS值亦高些，但低于3.5代机无问题，对周边的3代大改具有大幅度隐身优势。
目前图片不多，能分析的东西也不多，空重等数据是迷，况且4代离EMD阶段还比较远，凭2台AL31无论如何不能发挥气动方面的特点，相关航电和武器亦在攻坚之中。总的来看4代与T50并不相同，4代更像是瞄准F22总体设计的产物，某种意义上可看作鸭翼化的F22，装备F11

9级别的发动机后可能具有M1.5的超巡能力和良好的超音速机动能力（超音速Kmax可能是仅次于F22的现代战斗机），以及良好的亚音速飞行性能，且特别注重BVR空战能力及BVR空战所需的性能因素，具备比T50更全面和更突出的作战性能。目前看来F22大规模扩散的可能性不大，周边国家有条件装备F22的凤毛麟角，4代在2.020年左右全状态服役后对周边的3代改及3.5代具有高度优势，同时可能使东亚空中力量重新洗牌，促使日本等发达国家自研或采购四代机，届时新一轮的竞赛又将开始。

1月15日再补充几点，因为有新图持续放出。
可以确定鸭翼和主翼前缘是平行的，鸭翼计算外露面积是中等展弦比梯形翼，跟尖比约2，翼外形类似传统的3代机平尾，具有较好的升力特性，鸭翼诱导阻力系数较小，利于巡航状态下的配平升阻比需要。
主翼为较大后掠切尖三角翼，后缘带适度前掠，前缘根部有小边条。主翼翼面积初步判断约80平米，翼展14米，展弦比约2.3--2.4，和F22类似。根尖比约4.0，前缘后掠约50度。可看作传统的小展弦比、大根尖比三角翼，这种翼外形的突出特点是大迎角抖动小，可用迎角可达40度以上。主翼升力中心离鸭翼较远，鸭翼面积虽不大，容量却和有尾飞机相近，故配平能力不错。
关于鸭翼对隐身的影响，再略讲两点。前面说过，如果前缘是平行的，那么就全半球波峰个数讲是不增加的。巡航状态下鸭翼小幅度正偏，亦不构成前半球的镜面反射。关键实际是主翼前缘和鸭翼后缘的相互影响，现代战斗机主翼前缘一般为小圆头前缘，不能像高速导弹那样完全做成刀锋形的，所以存在角度较大的散射。散射波必然会被鸭翼的后缘再次反射回主翼前缘，再经由前缘散射出去，当电波相位相同时，等于增加了主翼前缘散射强度，这对弱散射控制是不利的。而且主翼前缘与鸭翼后缘是不平行的，鸭翼后缘的反射会给主翼增加一个幅度不大的波峰。再一个，我们知道鸭翼后缘是存在边缘绕射的，等于一个小天线，不可避免的把后缘绕射波反射到主翼前缘上，这也会一定程度上加大主翼前缘的RCS。然后就是鸭翼与机身的缝隙，缝隙小于雷达波长时雷达波是射不进去的，但是鸭翼带小幅偏转时前缘根部尖角却是个小散射源，且有一定的散射角。根部与机身的缝隙可看作是一缝隙天线，机身表面是不可避免存在爬行波的，等于天线的波导，当遇到缝隙时散射是难以消除的，没有可能像其他缝隙一样做成锯齿状，而且随鸭翼偏角改变，散射强度和散射方向均改变。部分解决办法是同时缩小主翼前缘半径和鸭翼后缘半

径，特别是鸭翼最好采用小相对厚度和尖削的后缘，可以一定程度上改善相互影响。乐观的看，鸭式飞机强波峰数量是可以与正常布局飞机相同的，但是在弱散射上的确存在一些难以消除的因素。