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悄悄的进化,中国歼二十战斗机不同阶段的不同变化和产量

2022-08-04 00:08:17


试飞项目包括验证飞机技术性能和飞行品质,测试11大类子系统的战术性能,包含了数十个新系统、数万个零部件,任何故障都有可能导致严重后果,三代机需要试飞2500,如果以一架原型机每月试飞10架次要21年,如果有5架原型机5年就够了,四代机应用了


前言: 2011年1月11日12时50分,编号2001的歼20验证机在全世界的注视一飞冲天,飞行三转之后于13时10分降落,成都黄田坝机场周围欢声震地,鞭炮齐鸣,国内各大新闻网站以同步视频直播了试飞过程,大约2:20分,美联社关于歼20原型机试飞的新闻刊登在网站上,立即占据了世界各大媒体的醒目位置,引起的震动超出了绝大部分人的想象,成为军事航空界最耀眼的明星,突然现身的歼20验证机给了当天正在北京人民大会堂的美国国防部长盖茨一巴掌,这位美国国防部长前段时间还声称中国一时还造不出隐形战斗机,他亲自向领导人询问歼20试飞的事,得到的回答是这只是正常工作而已,从这天起,歼20隐形战斗机就正式亮相了。

一:2001号验证机


2001号歼20原型机还只是一架完成度不超过70%的验证机,首飞不需要进行难度较高的飞行,起落架无需收放,只需要平飞,测试发动机运转正常、电传飞控系统正常,把飞机稳定地操纵返回就完成了任务,首飞之前的5、6、7日,2001号歼20原型机就连续进行的3次滑行测试,至少2次打开了减速伞,抬起了前起落架,测试证明飞机的起落架与跑道中心线基本保持平行,没有发现发动机火焰的状况,意味着没有漏油、大故障出现,基本的气动外形是没有重大障碍,为首飞奠定了条件,首飞成功就表明已经完成了大部分工程研制阶段,接下来进入试飞设计定型阶段,以发现设计制造缺陷,再加以改进。


试飞项目包括验证飞机技术性能和飞行品质,测试11大类子系统的战术性能,包含了数十个新系统、数万个零部件,任何故障都有可能导致严重后果,三代机需要试飞2500,如果以一架原型机每月试飞10架次要21年,如果有5架原型机5年就够了,四代机应用了许多新技术,F-22就用了9架原型机花了8年飞了3600架次,歼20也有9架原型机,分成两批,第一批次是718项目技术验证机,共有3架,称为00批次,机身编号是200开头,分别2001号、2002号、2003、2004号,2001号只是用于测试简单的飞行性能,不装备雷达,设计特征是鸭式布局,边条翼、双发、全动双垂尾、DSI进气道、腹鳍加弹仓,从外观、细节,内部设备的隐身设计都经过计算机计算,美国人认为这是一架完全按照F-22隐身设计的原则设计的隐身战斗机。

2012年3月10日出现的2002号验证机就有了很大的改动,亮相时是没有座舱盖的,机首上部的空速管被移动到了机首顶端,这是为安装机载雷达做准备,2002号验证机的试飞“非常忙”,在2月进行了低空机动测试,5月又进行了高空高速测试,以获得高级飞行参数,验证飞机的整体气动特性,10月又装上有源相控阵雷达,在未来的一年中主要测试雷达性能和武器系统,2003号歼-20验证机在2012年10月亮相,但没有试飞,只是待在厂房内用于地面静力测试,之后就消失了,验证机的飞行测试在2013年结束,开始进入根据飞行测试得到的参数改进阶段,2013年9月,2004号验证机出现,其实就是用2002号验证机改装的,只是为了测试新项目就改了机号,2001号到2004号验证机完成三年试飞后,就可以原型机阶段了。

二:2011号原型机

原型机是01批次,一共有6架,以201开头,从2011号至2017号, 这个批次意味着歼-20进入了一个新的发展阶段,2001号和2002号类似于洛克希德公司和诺斯罗普公司用于竞标美国空军ATF项目的YF-22和YF-23工程验证机,01批次的歼-20则类似进入工程制造阶段的F-22原型机,工程验证机的作用是验证设计概念的可行性。原型机就是针对工程验证机在试飞中出现的问题改进的,制造原型机标志着设计概念可行,整个项目开始从验证试飞阶段朝着定型试飞阶段发展,歼-20首架2011号原型机于2014年3月2日中午12点首飞,2011号在气动布局上变化不大,说明2001和2002号原型机的基本气动设计是成功的。

外观上最明显的变化是换上了与F-22相同的银灰色隐身/伪装涂装,喷涂方式与F-22、F-35相似,2002号验证机只是使用了密闭蒙皮缝隙的墨绿色底漆,2011号则刷上有镀银薄片的聚氨酯导电吸波涂料,外观熠熠生辉,翼面涂装由边缘和内侧逐渐过渡,垂尾内侧,边缘与内侧交界处贴有黄色的吸波新材料,这不但更有战斗机的气势,也证明了隐身涂料技术有了新的突破,另外一个变化是机头下方多了一个和F-35相似的钻石状光电跟踪系统,具有红外成像、跟踪和激光测距、指示功能,使得歼20具备了对地精确打击能力,此外机头两侧的大气数据传感器和光电监视告警系统位置也改动了,机头两侧多了一个双六边形舱盖,进气道两侧增加了告警天线探头,主轮整流罩和机尾尾撑也增大容纳新的传感类天线,座舱内衍射平视显示器改为无边框的一体化屏幕。


2011号远看虽然和2002号验证机差不多,但近看就有了巨大的变化,主翼、鸭翼、进气道、腹鳍、弹仓都进行了不显山不露水地优化修改,首先是主翼和鸭翼间的边条翼从曲线改成直线,从外凸式尖拱型改为边缘平直的三角形,三角形边条后段略展宽,面积基本不变,后掠角长细比略减。进气道口和鸭翼间的小边条翼被取消,原因是可以减少气流影响,减少飞行阻力,省却了两个涡流的复杂飞控还减了边条对隐身的不利影响,说明2011号减弱机动性的要求而增强了隐身和超音速巡航要求,验证机上下边缘平行的进气道唇口形状也改成了不平行,向下倾斜约10°,与机头侧面棱边基本平行,进气道侧面的棱边被取消,加宽了进气道横截面,


进气道增加了覆盖隐身屏蔽格栅的六边形辅助进气口和附面层排气口,进气道入口的格栅栅条平面向前倾斜,鸭翼下附面层排口排气口栅条平面则向后倾斜,这样改动后DSI进气道鼓包周边的阻力气流可以更好的流走,还能改善大迎角时的涡流,只是损失少许隐身性能,2011号的尾翼和鸭翼都为隐身进行了切尖处理,减轻了机翼气动扭转和翼尖失速、抖振,改善了大偏转角下的操纵性能,鸭翼翼展略有增大,增加大迎角配平能力,改善尾流状况和震颤,,翼尖切角后锐角变为钝角,减轻了周向散射,雷达反射截面积从0.01m2降低到0.001m2,鸭翼翼根和转轴采用的梯形头内嵌入优化衔接结构,翼根前尖端逐渐向内倾斜收缩,以遮挡正前方和侧前方入射波,


进气道结合段削尖处理降低了鸭翼偏转时进气道侧向的雷达反射截面积,全动垂尾根弦缩短,翼面积也减小,降低气流对垂尾的俯仰和横向力矩影响,主翼基本不变,但沿铰接边缘法向倾斜布置的襟副翼作动筒变小,2002号验证机作动筒尺寸较大,不足以将作动筒包进薄机翼,但2011号解决了28MPa压力级液压机构问题,作动筒尺寸达到F-22的水平,同时襟翼加宽,内侧切角,这样气动阻力更小,腹鳍向外侧移动避免与襟翼触碰,也避开机身和发动机喷气的干扰,使得腹鳍更靠近翼下外洗流场,大迎角时提供了额外的低头力矩以抑制上仰,腹鳍还加长了一些以屏蔽尾喷口,两则尾撑向内加宽,顶端延长,曲线更平缓。


2001 和2002号验证机使用类似F-22战斗机的一体化无框式座舱盖,这种座舱盖全向视野和雷达反射面积上有优势,但透明件要足够的强度就要加到足够的厚度,不但重量重,还很难使用反应速度更快的穿盖弹射技术,只能使用反应慢的抛盖弹射方式,2011号改为带内侧支撑框的变厚度座舱盖,有效减少结构重量,舱盖顶部加装了一组线状微爆索,弹射时微爆索将座舱炸成均匀碎块让飞行员及时弹出,逃生几率上升,这个设计和F-35战斗机基本一样,座舱盖虽然增加了加强框,但仍然是一体成形的,这一点和采用两段式座舱盖设计的苏57明显不同,不过奇怪的2011号仍然保留了原来了抛盖设计的火箭推力装置。

其他的改进有铆钉、螺钉内埋固定,取消了机首空速管,取消了减速板,减去了液压机构和安装空间,表面开口舱盖、弹仓门和起落架舱门由多组锯齿形改为简单的单个锯齿形,减少了前起落架舱门反射的爬行波在侧弹舱门产生干涉波,前起落架舱门加强筋大幅简化,弹仓尺寸也有加大,主要口盖、天线窗口边缘安装了吸波结构贴片,减速伞舱也从2001和2002号的在全动垂尾前面移动到两个垂尾中间,几乎整个埋入两台发动机中间的凹槽,总体来看,2011号就是歼-20的最终形态,以后的气动外形和结构不再修改,进入全面技术冻结阶段。此后的2012号-2016号基本相同,没有有太大的改变,只是2015年1月露面的2017号原型机水平尾翼稍作修改,座舱盖变高,座舱镀了金色吸波膜,微爆索形状也有所变化,2015年12月的2101号设计细节和2017号完全一致,这是正式的量产型,

三:A状态歼-20


2016年12月8日,78271号至78276号等6架歼-20量产型出现在沧州,这个机身编号意味已经正式服役,2016年3月,歼-20正式公开,并在在2018年1月开始进行实战化训练,当然不是服役就了事,还要让部队掌握运用方法,摸索飞机的性能特点,总结经验,编写训练大纲和使用条例,与厂家交流改进飞机性能。这批量产版歼-20属于A状态,也就是使用的是AL-31F发动机,特征是尾喷管调节片呈宽窄交错非均匀排,在歼-20设计之初就预定要使用150千牛推力发动机,但当时中国仅有120千牛推力的AL-31F发动机可用,不得不研制新的涡扇-15发动机,这是风险很大的方案,歼-20研发工作非常顺利,但涡扇-15发动机就不是很顺利,为此只能先装AL-31F发动机,


歼-20拥有世界战斗机中最大的4.5x2x0.7米弹仓和10吨油仓,机身长达20米,机头直径超过1米,机翼面积接近70平米,迎风面积比苏-27还大,这会产生巨大的阻力,要是其他战斗机飞得慢,滚转慢,掉速就是常态,但歼-20在使用AL-31F发动机时,飞行动作却不慢,也不迟钝,飞控系统非常精确,编队飞行几乎不用微调,从平飞转向垂直爬升非常利索,鸭翼、边条和主机翼同时出现低压水汽,爬升加速性能和苏-27相当,机头指向、滚转角速度比苏-27快,甚至比苏-57快一倍,直线加速、稳定盘旋、爬升紧急侧转弯、水平飞行转90度垂直爬升并不差过任何一种三代机,无论是超音速还是亚音速的飞行品质都可以说完美。

虽然比歼-10大一倍,但是机动性完全可以媲美歼-10,而且这只是在12.5吨推力,推重比只有8的情况下完成的,歼-20之所以有这么强的机动性是来自优秀的气动设计,歼-20战斗机的鸭式布局是鸭翼和主翼在同一平面,水平间距比歼-10战斗机的的近距耦合鸭式布局拉大了几乎一倍,中间还有边条翼加强,依靠进气道将机头和鸭翼的距离拉大,尽量减小机头涡流和鸭翼涡流之间相互干扰,歼-10战斗机为了达到跨音速高机动,特别注重增升,鸭翼和主翼面积相当大,最大瞬时盘旋角速度达到30度/秒,这带来一流的格斗性能,但也因过于跨音速增升能力,加上推重比不足,加速和爬升能力差了点,


歼-20采用升力体设计,宽大的机身平飞时可以产生20%的升力,升力系数高达2.3,比F-22高出0.5,这个指标世界无出其二,机动时可以产生30%的升力,大迎角时甚至可以到70%的升力,美国F-14战斗机也采用升力体设计,在机体比F-15战斗机笨重,发动机比F-15战斗机落后的情况下超音速截击性能却比F-15强悍,也使用升力体设计的苏-27战斗机航电重2.2吨,载油9.4吨,飞行性能几乎和航电重600千克、载油5.1吨的F-15战斗机相当,如果歼-20采用采用推重比10,推力180千牛的涡扇-15发动机就更无敌手了,但涡扇-15发动机仍末成熟,研发进度频频被推迟,配装AL-31F发动机的歼-20可用载重只有6吨,而发动机推力达到180千牛的F-35可用载重达10吨。

四:B状态歼-20


在涡扇-15发动机配装前迫切需要一款推力更大的发动机,随着国产涡扇-10发动机的成熟,歼-20也换上了尾喷管调节片呈宽窄一致均匀排列的涡扇-10发动机,这是AL-31F发动机和涡扇-10发动机最明显的区别,涡扇-10有六款改型,最大推力的是155千牛涡扇-10G,只有涡扇-10G才能使用会造成推力损失的锯齿状尾喷口。2011年,涡扇-10B发动机推力已经达140千牛,2014年,中航工业在此基础上研制推重比接近10、推力150千牛的涡扇-10G发动机,涡扇-10G发动机有7级高压压气级,有先进的数字控制系统,虽然涡扇-10G发动机在推力上赶上了F-22战斗机的F-119发动机,但这是牺牲发动机寿命为代价换取的,涡扇-10系列发动机寿命水平一直不高,发动机单晶叶片工作不久就会出现裂纹甚至断裂,


涡扇-10G为了达到了155千牛的推力只能强行涡轮转速,自然也降低了发动机叶片寿命,F-119发动机的寿命高达12000小时,AL-31F发动机也达4000小时,涡扇-10G只有500小时,不过涡扇-10G发动机研发简单,消耗经费很少,涡扇-15发动机也正在紧张攻关,更换动力后还必要修改整机的气动布局,改动程度会相当之大。涡扇-15发动机会带推力矢量技术,推力矢量技术已经在歼-10B推力矢量验证机上得到了展示,这种360度全向推力矢量技术动作每秒钟可达60度,最大偏转角度15~20度,重量轻,臂大,效果好,大角度偏转时外露面积小,阻力小,操纵功率小,对快速机动有极佳的好处,也能及时改出失速和螺旋,未来换装涡扇-15和推力矢量技术后飞行性能会大幅度提升,这时的歼-20就是B状态,


歼-20战斗机正在大批量列装,在中国空军口碑非常好,连美国空军也认为歼-20战斗机是与F-22战斗机比肩,唯一能对F-35战斗机构成重大威胁的武器,歼20战斗机的生产线从2016年开始运行,初期年产量会控制在10架,用于试用阶段,随后的年产量可以提高到24至36架,以这个年产量计算,至今生产出了100-150架,数量上完全压倒了美国空军现役F-22战斗机,众所周知,F-22战斗机只生产了187架就关闭了生产线,还决定在2023财年退役33架,加上任务执行率只有50.81%和用于国内训练的,实际能用只有三十多架,歼20的高速生产周期至少维持5-7年,之后转为小批生产补充消耗,到2030年基本完成生产,预计产量是200-300架。

五:展望

歼-20是中国航空工业的奇迹,从出方案到服役仅仅用了9年,从首飞到装备仅仅用了7年,美国F-22则用了13年,在单座型服役三年后:双座型又开始试飞,创造隐身战斗机研发、生产、服役最快的世界纪录,而且进展快并不代表匆忙,歼-20同样完成了数千架次试飞,科目之完整之复杂不比美国F-22少,随着生产的成熟,歼20的改型潜力也非常大,总产量最大极限估计能达到500~600架。