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淺析FC-1梟龍戰機氣動布局及其演變過程

http://www.chinareviewnews.com   2008-04-07 09:25:56  


 
  進氣道 FC-1飛機的進氣道在布置上基本上延續了原超-7飛機的設計,外伸的附面層分離板同時起單級固定壓縮斜板的作用構成二維雙波系超音速進氣道。固定的雙波系進氣道也是比較常見的設計,F/A-18和F-20飛機就采用這樣的設計,不過這種進氣道在超過設計馬赫數之後總壓恢複明顯下降,如果設計大的壓縮角顯然會造成較大的型阻,所以高速性能也幷不理想,而且這種進氣道重量比皮托管進氣道大,所以F-16在確定有足够剩餘推力後果斷采用了較輕的皮托管式進氣道。FC-1飛機設計馬赫數幷不高,但是却采用雙波系進氣道,估計主要原因還是零升阻力較高而同時飛機推重比不大,剩餘推力有些不足。從FC-1的01號原型機到03號原型機,進氣道作了一點肉眼難以分辨的改動,固定壓縮斜板的壓縮角提高了2°,這個設計明顯是以提高超音速總壓恢複爲目的,爲此不惜减小了捕獲面積,犧牲了一點流量裕度,這也說明了FC-1飛機在高速剩餘推力方面的不足。固定壓縮斜板上開有附面層吸除孔,在FC-1進氣道特寫的照片上可以看得很清晰,固定壓縮斜板的長度足以産生較厚的附面層,如果不作處理會降低進氣道的總壓恢複,産生畸變,幷且容易發生分離,這套抽吸排放管路也是雙波系進氣道重量增大的原因。普通的機身兩側垂直壓縮斜板超音速進氣道受機身上洗影響,當地迎角比較大,大迎角總壓恢複較差,而且在有側滑情况下垂直壓縮斜板表面容易發生分離,這是比較明顯的弱點。FC-1飛機的內傾設計在大迎角性能和抗側滑能力上都有所改善,而機身底部又過渡比較平坦,避免了大迎角時機腹高壓産生的漩渦,對避免下唇口內側分離有利。

  座艙 FC-1飛機從超-7方案開始就采用了全圓弧風擋,當時格魯曼公司建議采用F-20飛機的風擋,但是FC-1飛機的背鰭比較窄,後方視野較超-7有所改善,不過依然沒有取消掉背鰭。背鰭是結構上容納操縱拉杆,液壓管路之類設備的地方,采用背鰭付出一些重量、阻力和視野的代價可以簡化內部結構的設計,所以仍然很頑强地出現在很多新型戰鬥機的設計中。實際上FC-1飛機的氣泡式座艙蓋十分低矮,即使沒有後面的背鰭,飛行員的後向視野也不會太好,而且飛行員側面下方的視野也不太理想。視野不良對于飛行員的態勢感知能力有一定的負面影響,但是艙蓋低矮可以减少阻力,减輕重量,對于前面已經提到超音速剩餘推力似乎比較緊張的FC-1來說,减少阻力要更重要一些。

  邊條 從超-7到FC-1,邊條的變化比較明顯,原來的三角形狹長邊條被外凸的狹長邊條所取代,機身采用了翼身融合設計,後機身出現了較寬的後邊條。在邊條根部寬度變化不大的情况下改變邊條平面形狀少許增加了邊條的面積,這個改進增加了邊條渦的强度,推遲了機翼的失速,而且機翼達到最大升力系數後升力隨迎角的變化比較和緩,同時外凸形狀對飛機的橫側安定性有好處。但是增加的邊條面積比較靠前,修改之後氣動中心的前移和大迎角的上仰力矩都比較明顯,FC-1采用這樣的設計跟我國飛控系統的進步應該是有關系的。FC-1的邊條前端有一個鋸齒,這是邊條布局中比較少見的設計,俄羅斯米高揚設計局曾經有過類似邊條設計的輕型戰鬥機方案,在FC-1飛機上出現的這個設計不知與米高揚設計局和成都飛機設計研究所在這個項目上的合作是否有關。毫無疑問的,這個鋸齒可以明顯的提高邊條渦的强度和穩定性,但是它對俯仰力矩的影響目前還不得而知。此外,F-35前掠進氣道尖銳的上唇口外凸在渦的産生方面可能與鋸齒邊條類似。

  主翼 FC-1的機翼是一個42°後掠角的大根梢比切尖三角翼。42°後掠角在邊條布局上的趨同現象是一個頗令人感興趣的話題。機翼後掠角在40°左右的時候邊條可以使機翼獲得最大的升力系數增量是一個早在70年代就被觀察到的現象,後掠角較小的機翼外段失速比較早,而後掠角較大的機翼自身存在大迎角前緣分離渦,邊條渦的影響就比較小。但是早年F-16選擇了40°後掠角的切尖三角翼,幷且獲得了良好的效果,而蘇聯在同時期設計的蘇-27和米格-29飛機却采用42°後掠角的後掠梯形機翼,有意思的是美國最先進的F-22戰鬥機也從YF-22驗證機的48°後掠角改成了42°後掠角,42°後掠角真的是利用渦升力最有利的後掠角嗎?或者這是因爲要求相近的單位重量剩餘功率(SEP)優勢區域而從誘導阻力考慮的優化結果?筆者不敢妄自揣度,這個現象的原因還有待更詳細研究資料的出現。

  翼刀 01架原型機上出現的翼刀曾經讓很多軍迷感到驚訝,翼刀是一種阻止機翼上表面附面層向翼梢堆積,推遲翼尖分離的簡單氣動手段,在前蘇聯和我國的噴氣式戰鬥機上很常見,但是在三代機上基本上沒有這樣的設計。針對這個問題楊偉總師曾經向記者解釋這對翼刀是一個可以拆卸的保險手段,如果試飛順利的話可以拆除,後來果然03架原型機上沒有了翼刀,01架的翼刀也被拆掉。對于邊條布局的飛機,上表面翼刀具有與普通翼刀相同的推遲翼尖失速的功能,同時也可以减輕大迎角有側滑時的不對稱渦破裂現象,有利于飛機保持橫側安定性,但是翼刀同時也促使前緣渦提早破裂。這種我的提早破裂,一方面减小了升力系數和失速迎角,當然是不利的,但是同時也减弱了邊條布局的俯仰力矩上仰問題,根據楊偉總師的說法,這應該是設計這個翼刀的主要目的。此後的試飛應該是證明了飛機的大迎角縱向控制能力沒有問題,所以果斷取消了翼刀以獲得更大的升力。美國F/A-18E/F飛機的機翼前緣鋸齒設計從目的上講也是希望推遲翼尖失速改善飛機的操穩特性,不過鋸齒可以拖出一個渦系對升力和升力分布都有好處,這點要比翼刀好。但是美國人沒有料到鋸齒和前緣襟翼的相互作用會導致兩側機翼分離流動的不對稱造成急劇的掉翼尖現象,這個現象成爲F/A-18E/F飛機試飛過程中的主要問題,後來通過加裝折叠鉸鏈多孔整流罩才解决。 


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