超巡那些事兒

超音速巡航這個詞匯，相信讀者不會陌生。隨著新一代重型隱身戰(zhàn)斗機(jī)的研制和裝備，超音速巡航伴隨著F-22、殲-20、T-50等四代機(jī)頻繁出現(xiàn)在各種媒體報道和軍刊文章中。本文就從超音速巡航這個角度入手，談?wù)勗趶?qiáng)調(diào)超巡能力的背景下，戰(zhàn)斗機(jī)、航空發(fā)動機(jī)的設(shè)計和發(fā)展。

超音速巡航≠不開加力超音速

超音速巡航有很多版本的定義，例如“不開加力就能超音速飛行”、“不開加力保持M1.5飛行的能力”、“經(jīng)濟(jì)航速出現(xiàn)在超音速飛行狀態(tài)下”等等。其實(shí)，巡航一詞最早來源于水面艦只，意思是以最經(jīng)濟(jì)的速度航行。飛機(jī)出現(xiàn)后，沒有創(chuàng)造自己的專有名詞，而是沿用了艦船的很多名詞。雖然飛機(jī)的飛行時間和速度、飛行狀態(tài)變化已經(jīng)不是艦船所能比擬的，但是巡航的概念依然與艦船比較相似。以F-22為代表的四代機(jī)問世后，引入了一個新的概念——“supercruise”。其實(shí)supercruise如果直譯的話，意思就是“超級巡航”，并沒有特別強(qiáng)調(diào)與音速的關(guān)系，而是體現(xiàn)出與常規(guī)巡航相比更強(qiáng)的作戰(zhàn)能力。由于“超級巡航”最具有戰(zhàn)術(shù)價值的意義，在于能夠以超過音速的一定速度進(jìn)行較長時間的飛行，所以人們越來越多的將其翻譯為“超音速巡航”。

如果超巡的概念是“不開加力就能超音速飛行”，那世界上第一種實(shí)現(xiàn)超巡能力的飛機(jī)大概就是英國的“閃電”戰(zhàn)斗機(jī)了，而且此后的F-15、蘇-27甚至我國的“獵鷹”高級教練機(jī)都擁有在某些狀態(tài)下不開加力超音速飛行的能力。因此，這個概念不能反映超巡的本質(zhì)意義。筆者看來，超巡的最低門檻應(yīng)該是：飛機(jī)能夠在不開加力的情況下，以超過M1.3（跨音速段一般為M0.8-M1.3，飛機(jī)外部氣流部分超過音速）的速度進(jìn)行較長時間飛行。

超巡的戰(zhàn)術(shù)價值

一般常規(guī)使用單純渦噴或者渦扇發(fā)動機(jī)的戰(zhàn)斗機(jī)，必須要開加力才能達(dá)到超音速，而且持續(xù)時間不能太久，一般不超過30分鐘，否則會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)過熱、燒壞發(fā)動機(jī)或者機(jī)內(nèi)燃料耗盡。不過也有一個例外，那就是米格-25/31系列戰(zhàn)斗機(jī)，米格-25內(nèi)油高達(dá)15.3噸，能夠單純依賴內(nèi)油開加力以超音速飛行1635公里，超過了米格-29的亞音速最大內(nèi)油航程（1300公里）。如果掛載副油箱，米格-25的超音速航程達(dá)到了驚人的2130公里。單從超音速飛行時間和航程來看，米格-25/31比F-22其實(shí)還要更勝一籌。不過F-22的超巡是建立在發(fā)動機(jī)的最大軍用推力的基礎(chǔ)上，因而耗油率比米格-25這種單純“堆油量”的飛機(jī)低得多，而且飛機(jī)需要設(shè)計過大的空間去容納燃油。新一代戰(zhàn)機(jī)由超巡帶來的戰(zhàn)術(shù)價值如下：

首先，可以用更快的速度飛抵戰(zhàn)區(qū)或者接敵。常規(guī)三代機(jī)只能以M0.6-M0.8的速度抵達(dá)戰(zhàn)區(qū)，這個速度在發(fā)生應(yīng)急事件的情況下很可能會失去最佳時機(jī)，甚至延誤戰(zhàn)機(jī)。而具有超音速巡航能力的飛機(jī)，可以將去航或者接敵時間降低1/3甚至更多，這無疑大大增加了整個作戰(zhàn)體系的反應(yīng)能力。這一點(diǎn)對于國土防空截?fù)糇鲬?zhàn)以及爭奪制空權(quán)格外重要，尤其是對于國土、領(lǐng)海廣袤的國家，不可能密集地部署軍事基地，這就對軍用飛機(jī)的快速到達(dá)能力提出了很高要求，因此超音速巡航的意義更大。

其次，可以擴(kuò)大本機(jī)機(jī)載武器殺傷包線，縮小敵機(jī)對本機(jī)殺傷包線。對于三代機(jī)來說，除非在接敵之前開加力加速，否則基本處于亞音速狀態(tài)下。而具有超音速巡航能力的四代機(jī)，則可以長時間保持在超音速巡航狀態(tài)下發(fā)射武器，此時武器的初速度更大，能在更短的時間內(nèi)和更大的范圍內(nèi)攻擊目標(biāo)。而且在目標(biāo)保持高速，尤其是超音速飛行態(tài)勢下，空空導(dǎo)彈需要更多的能量和更大的過載才能命中目標(biāo)，超巡無疑降低了敵方導(dǎo)彈的命中概率和有效射程。

再次，壓縮敵方反應(yīng)時間。超巡與隱身能力相結(jié)合，對于敵方防空武器系統(tǒng)具有極大的突防效果。一方面，飛機(jī)RCS雷達(dá)反射面積的大幅度下降導(dǎo)致敵方防空傳感器出現(xiàn)大量探測“漏洞”，大大降低了敵方雷達(dá)的有效探測距離。另一方面，超巡飛機(jī)在通過敵方雷達(dá)有效探測距離時，所需時間大大縮短，導(dǎo)致敵方即便發(fā)現(xiàn)了目標(biāo)也沒有足夠的時間組織防空導(dǎo)彈發(fā)射或者召喚戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)行攔截。

最后，有利于紅外隱身。超巡的這個戰(zhàn)術(shù)價值是比較容易被人忽視的一點(diǎn)。一般三代機(jī)在進(jìn)行中距攔射之前，都需要開加力進(jìn)行加速，也需要保持加力狀態(tài)進(jìn)入近距格斗，以增加和補(bǔ)充高過載條件下的飛機(jī)動能。而航空發(fā)動機(jī)的加力狀態(tài)紅外特征比軍推狀態(tài)下明顯大很多，例如F-14機(jī)頭下的紅外傳感器能140公里外發(fā)現(xiàn)開加力的目標(biāo)，而不加力目標(biāo)的探測距離則只有40-50公里。在作戰(zhàn)中開加力也更容易被紅外格斗彈在更遠(yuǎn)的距離上鎖定和跟蹤。對于三代格斗彈來講，對于開加力的目標(biāo)較為容易實(shí)現(xiàn)迎頭鎖定，而對于非加力狀態(tài)目標(biāo)，大部分三代格斗導(dǎo)彈就只能在側(cè)向或者尾追態(tài)勢下才能鎖定目標(biāo)。

如何實(shí)現(xiàn)超巡

第四代隱身戰(zhàn)斗機(jī)作為一種適應(yīng)未來戰(zhàn)場環(huán)境的先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗機(jī)，要求它能有效地執(zhí)行爭奪空優(yōu)、防空截?fù)簟⑼环缐褐频热蝿?wù)，不僅要求它有長時間的超音速巡航能力，也要求它具有良好的超視距攔截和近距格斗能力。這就要求四代隱身機(jī)是相當(dāng)數(shù)量先進(jìn)技術(shù)綜合工程應(yīng)用的結(jié)果，為了達(dá)到這一目標(biāo)，需要解決數(shù)個核心技術(shù)問題，采用大量新技術(shù)。

首先，適于超音速巡航的先進(jìn)氣動布局。長時間不開加力的超音速巡航和超音速機(jī)動，首要的問題是如何降低飛機(jī)的超音速阻力，提高飛機(jī)的升阻比，因此需要針對超音速飛行狀態(tài)進(jìn)行氣動設(shè)計和優(yōu)化。早在1980年代初期，美國就著手對超音速巡航戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)行具體研究，各公司都根據(jù)預(yù)定的作戰(zhàn)任務(wù)提出了他們自己的方案。理論分析和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)表明，四代隱身機(jī)可以采用諸多措施使飛機(jī)阻力下降，M=2.0時的升阻比可達(dá)6-6.5，基本上比三代機(jī)超音速升阻比增加了1/3甚至一半。這意味著，對于同樣起飛重量的戰(zhàn)斗機(jī)而言，針對超巡進(jìn)行過氣動優(yōu)化的四代機(jī)，超音速飛行所需要的發(fā)動機(jī)推力僅僅是一般三代機(jī)的2/3甚至是一半。

具有超音速巡航能力的先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗機(jī)要求在亞跨音速和超音速都有高效率的巡航能力和機(jī)動能力。在機(jī)翼設(shè)計中要滿足這每一項(xiàng)要求，通常是自相矛盾的。超音速飛行要求采用小展弦比、薄翼型、大后掠角和小彎度機(jī)翼，而亞跨音速巡航和轉(zhuǎn)彎機(jī)動則要求有中等后掠、展弦比比較大和在大升力系數(shù)機(jī)動時增加彎度的機(jī)翼。F-22選擇升力中心前移較多的蝶形三角翼，中等后掠角，利用進(jìn)氣道上唇口和小邊條拉渦以增加升力系數(shù)。殲-20選擇了鴨式布局，主翼采用無尾大后掠三角翼設(shè)計，利用進(jìn)氣道唇口、鴨翼和邊條拉渦增升，并且改善俯仰力矩。俄羅斯的T-50的主翼采用大后掠角三角翼設(shè)計，利用渦襟翼來減小超巡阻力，另外提高升力體構(gòu)型升阻比、遏制主翼失速。

其次，先進(jìn)數(shù)字電傳和隨控布局。在三代機(jī)之前，戰(zhàn)斗機(jī)設(shè)計只有三大要素：氣動、結(jié)構(gòu)和動力。而隨著靜不穩(wěn)定設(shè)計、隨控布局、主動控制技術(shù)的發(fā)展，飛控也成為戰(zhàn)斗機(jī)設(shè)計的第四個要素。三代機(jī)的氣動和飛控設(shè)計一般都是針對高亞音速進(jìn)行優(yōu)化，而到了超音速狀態(tài)，氣動中心后移，飛機(jī)就需要鴨翼或者平尾偏轉(zhuǎn)來提供抬頭力矩，這就增加了操縱阻力，降低了飛機(jī)的超音速升阻比。四代機(jī)將超音速巡航狀態(tài)作為典型設(shè)計點(diǎn)，將氣動中心大幅度前移，這樣在超音速狀態(tài)下，飛機(jī)所需的抬頭力矩就大大降低，舵面的偏轉(zhuǎn)角度和舵面偏轉(zhuǎn)所帶來的操縱阻力就大大減少，提高了超音速升阻比。但是這樣就帶來另外一個問題，飛機(jī)在亞音速狀態(tài)下高度靜不穩(wěn)定，必須采用先進(jìn)飛控系統(tǒng)才能安全、穩(wěn)定地控制。不過高度靜不穩(wěn)定也給四代機(jī)帶來敏捷性的大幅度提高，改善了飛機(jī)的瞬盤能力。

再次，新機(jī)理的進(jìn)氣道設(shè)計。一提到超巡，讀者往往會把注意力集中到美國先進(jìn)強(qiáng)大的發(fā)動機(jī)上，但是實(shí)際上超巡作戰(zhàn)飛機(jī)的動力系統(tǒng)設(shè)計也是一系列高新技術(shù)的結(jié)合，而不是單純依賴動力性能的提高。F-22和殲-20已經(jīng)完全拋棄超音速性能更好的可調(diào)多波系超音速進(jìn)氣道，轉(zhuǎn)而使用基于二維乘波機(jī)理的加來特進(jìn)氣道和基于三維乘波機(jī)理的鼓包進(jìn)氣道。固定乘波進(jìn)氣道雖然在M2左右的極速段總壓恢復(fù)系數(shù)比可調(diào)多波系進(jìn)氣道低0.1左右，按照超巡工作點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計之后，在亞音速、跨音速和超巡狀態(tài)下都有令人滿意的性能，總壓恢復(fù)系數(shù)基本能達(dá)到0.9左右。而且固定進(jìn)氣道拋棄了一系列復(fù)雜而沉重的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，減輕了結(jié)構(gòu)重量，提高了系統(tǒng)可靠性。降低的結(jié)構(gòu)重量，通過升阻比的聯(lián)系，降低了對于發(fā)動機(jī)推力的需求。在新一代戰(zhàn)斗機(jī)中，現(xiàn)在只有T-50依然使用具有三代機(jī)特征的可調(diào)多波系激波斜板進(jìn)氣道。

最后，新一代航空發(fā)動機(jī)。第四代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)的設(shè)計目標(biāo)之一，是滿足不加力超因素巡航的任務(wù)要求。不加力超聲巡航時，發(fā)動機(jī)工作在最大軍推狀態(tài)。實(shí)際上，超巡給四代動力帶來的改變不僅僅是在最大加力推力和推比等性能層面的，而是從發(fā)動機(jī)總體設(shè)計到循環(huán)參數(shù)選擇都有了本質(zhì)性改變。三代渦扇以及以前的航空發(fā)動機(jī)都是將加力起飛作為最大功率輸出工作點(diǎn)，此時渦前溫度達(dá)到最高。但是由于超巡需求的存在，飛機(jī)需要在中高空和1.3馬赫以上的速度條件下進(jìn)行飛行，發(fā)動機(jī)必須有足夠的高空和高速剩余推力。四代動力循環(huán)參數(shù)選擇上，引入了一個新的“節(jié)流比”概念，即最大渦輪前溫度與地面設(shè)計渦輪前溫度之比。節(jié)流比主要是衡量發(fā)動機(jī)在超巡狀態(tài)下相對于加力起飛有多大的升溫能力。采用節(jié)流比大于1.0的設(shè)計以改善發(fā)動機(jī)的速度特性，是第四代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)的重要設(shè)計特征。

為了提高發(fā)動機(jī)單位迎風(fēng)面積推力、單位流量推力和降低飛機(jī)后機(jī)身截面積，四代動力都選擇了較小的涵道比。在同樣的核心機(jī)性能下，涵道比越小，高空高速剩余推力越大，海平面靜推力越小，單位油耗越大，發(fā)動機(jī)直徑越小。雖然俄羅斯宣稱在AL-31F基礎(chǔ)上改進(jìn)的117S發(fā)動機(jī)能夠達(dá)到14.5噸的海平面靜推力，與F-119發(fā)動機(jī)僅僅相差一噸。但是實(shí)際上，這種通過增加發(fā)動機(jī)流量和涵道比的改進(jìn)措施，反而會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)高空高速剩余推力下降。F-119發(fā)動機(jī)如果也采用同樣的手段來增加海平面推力，那完全可以提高到18-19噸左右，其實(shí)F-135發(fā)動機(jī)就是在F-119核心機(jī)上按照這樣的方法衍生出來的。涵道比在0.6以上的117S發(fā)動機(jī)與涵道比在0.3左右的F-119相比，雖然海平面靜推力相差不大，但是在高空高速條件下，兩者的剩余推力很可能相差一倍。這就是為什么美國雖然擁有海平面靜推力超過15噸基于F100和F110渦扇發(fā)動機(jī)的三代改型發(fā)動機(jī)，卻依然要研制F-119發(fā)動機(jī)的原因。因?yàn)楹Ｆ矫骒o推力不能代表發(fā)動機(jī)的高空高速推力特性。

淺析殲-20的超巡能力

從當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)公布的照片分析來看，殲-2 0采用了帶邊條鴨式布局、小展弦比中等后掠角主翼和整機(jī)升力體的設(shè)計，相當(dāng)完美的兼顧了亞音速跨音速升阻比性能、低速大迎角機(jī)動性能、超音速巡航性能和隱身性能的要求。一般鴨式布局飛機(jī)采用大后掠角主翼設(shè)計，這是由于大后掠角主翼可以產(chǎn)生足夠強(qiáng)度的脫體渦與鴨翼產(chǎn)生的渦流耦合從而增加升力。而且大后掠三角翼固有的特點(diǎn)就是超音速波阻較小，超巡升阻比高，但是亞音速升阻比偏低，升力線斜率較小。而殲-20為了兼顧亞音速升阻比，選擇了中等后掠角的主翼，這就導(dǎo)致主翼脫體渦強(qiáng)度降低，升力隨之降低。為了改善整機(jī)升力特性，殲-20引入邊條作為一個新的渦流產(chǎn)生器，與鴨翼一起產(chǎn)生渦流與主翼渦流耦合，形成鴨翼邊條升力體布局。該布局優(yōu)異的升力特性不僅僅源于鴨翼、邊條和主翼脫體渦的縱向耦合，甚至飛機(jī)左右兩側(cè)分別產(chǎn)生的渦流彼此之間還存在有利干擾。殲-20復(fù)雜的渦系將會在大迎角狀態(tài)下，對于主翼內(nèi)側(cè)和機(jī)身上表面產(chǎn)生相當(dāng)?shù)纳Α？偟膩碚f，邊條鴨翼升力體布局整機(jī)升力能夠比一般翼身融合體飛機(jī)高80%以上，比一般非升力體鴨式布局飛機(jī)高40%。因而可以認(rèn)為殲-20的整機(jī)升力特性極為優(yōu)秀，相比于殲-10這樣采用鴨式布局的升力特性還會有質(zhì)的飛躍。相當(dāng)優(yōu)秀的升力系數(shù)導(dǎo)致飛機(jī)亞音速升阻比和超音速升阻比都有出色的表現(xiàn)，降低了對于發(fā)動機(jī)推力的需求。如果殲-20還采用俄羅斯AL-31F基礎(chǔ)上的改進(jìn)發(fā)動機(jī)進(jìn)行試飛，那么殲-20應(yīng)該暫時還不能實(shí)現(xiàn)完全的超巡能力。

結(jié)語

一提到超音速巡航，很多朋友腦海里第一個印象就是裝在F-22后機(jī)身的F-119噴著火舌，讓飛機(jī)拔地而起的情景。但實(shí)際上，超巡性能需求給戰(zhàn)斗機(jī)設(shè)計帶來的變革不僅僅局限于動力層面。即便是航空動力技術(shù)底蘊(yùn)極為深厚的美國，也在F-22氣動和總體設(shè)計選擇上頗具匠心。“動力夠好，板磚都能飛”只是一種簡單粗略的概括。沒有F-22的高超音速升阻比氣動布局和先進(jìn)的電傳飛控，單憑F-119發(fā)動機(jī)也是無法實(shí)現(xiàn)足夠的超巡能力的。超巡、外形隱身和超機(jī)動其實(shí)是互相關(guān)聯(lián)、互相制約的性能需求。如何權(quán)衡飛機(jī)總體設(shè)計中的參數(shù)選擇，如何將大量新技術(shù)融合進(jìn)新一代作戰(zhàn)飛機(jī)設(shè)計，其實(shí)體現(xiàn)了一個國家對于高技術(shù)復(fù)雜工程型號的項(xiàng)目管理和科研實(shí)力。