歼20的强大被严重低估:探秘DSI进气道的精妙

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1985年秋,苏军总参谋部情报总局从五角大楼获得了一份惊人的情报。在这份由威廉·佩里主导的计划中,除了改装升级中国战机,出口F16、黑鹰直升机和E3预警机给中国,还试图在中国建立对苏联的侦察,预警和防空前线,以及重型武器储备和修理基地。但是,理智的中国政府绝对不会火中取栗,毫不犹豫地拒绝了华盛顿这一将中国变为反苏前哨的方案。除了引入黑鹰直升机,中美只推进了歼8改造的“和平珍珠”计划,即沈阳飞机设计研究所歼8总设计师顾诵芬牵头的“82”工程,美国将为中国提供55架“歼8Ⅱ”战机的雷达和火控系统,以便拦截从北方入侵的图22超音速轰炸机。于此同时,中国还与美国进行着另外一项航空合作,成都飞机工业公司总工程师屠基达,牵头负责“超7”战机与美国通用电气的F404发动机合作,而超7正是枭龙战机的前身。
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在中美蜜月期,中国军事工业的家底几乎对美国和盘托出,可以说是底裤都看光了。美军不仅参观了青岛海军基地、大连核潜艇部队、西昌卫星发射基地,还访问了南京的电子工业部14所等科研单位。彼时,中国在绵阳的空气动力实验研究中心的风洞群中已经在进行超7的DSI进气道的研究,但受制于计算机算力和加工工艺无法进一步推进,只能借合作F404发动机之际,将DSI进气道的风洞试验数据共享给美国,以期共同合作开发。美国格鲁曼公司也提出了“超7”肋下进气和大边条翼的建议。
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但中国为中美航空合作付出了5.5亿美元和5年的时间后,合作嘎然而止,中国却没有得到任何东西,战斗机依然落后,以至于到2000年以后歼8F才达到空军要求的战斗力。而此时,美军都开始装备F-22这种对中国来说近乎科幻的战机。
对于DSI进气道,在中美航空合作中断的第二年,美国洛克希德于1990年开始研发,在1996年12月改装了DSI进气道的F16进行了9天12次密集试飞,覆盖了F16的整个飞行包线,在水平和机动飞行中剧烈加速以确定进气道和发动机之间的相容性,并达到了最大速度2马赫。结果在所有的迎角和侧滑角条件下,都非常接近生产型F16,2次飞行中发动机重新启动和164次加力点火均没有发生故障,其中52次加力点火是在高难度机动中进行的,新的进气道还显示其亚音速性能,特别是剩余功率方面优于生产型F16的进气道,证明取消附面层隔道对整个系统是有益的。考虑到当时并没有针对DSI进气道对F16的机身进行改造,整个试飞计划的目的只是验证这种全新进气道技术的生命力,这个结果非常令人惊叹。
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数年之后,同样使用DSI进气道的洛克希德的X-35和波音的X-32原型机同台竞技,最终X-35赢得联合打击战斗机项目的竞标,成为美军及其盟军的主力隐形战机F35。
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成飞则早于1998年就开始进行DSI的工程实用化,2005年换装“A杯罩”DSI进气道的“发财一号”FC-1突然曝光,2006年4月28日,枭龙第四号原型机在成飞的跑道上轻盈起飞,仅不到一年后的2007年3月12日,世界上首款使用DSI进气道的战机就正式服役。马不停蹄,歼20于2007年作为重点型号工程立项进入研制阶段,而换装DSI的歼10B在2008年就首飞成功。
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迄今为止,美国仅有F35一款战机采用DSI进气道,且无法进行超音速巡航和机动。中国则有歼20、歼35、枭龙和FH-97A无人僚机的两侧进气,歼10B/C的腹部进气,攻击11和轰20的背负式进气三种DSI构型,就连“海山鹰”教练-9G这种教练机、FTC-2000G这种外贸型低成本歼击机都用上了DSI进气道,已经完全成为见者有份的设计,其技术底蕴让美国都自叹不如。而姗姗来迟的苏75是俄罗斯第一型应用DSI技术的战机,印度试图采用DSI进气道的AMCA五代机,历经20多年终于刚刚进入原型机制造阶段。英国下一代暴风战机,法国、德国和西班牙共同研制的第六代战斗机FCAS,都将计划采用DSI。对比之下,韩国所谓隐形战机KF-21、土耳其的“可汗”等五代机项目应该尴尬不已,都是模仿F22的加莱特进气方式,对于歼20的DSI进气道只能望其项背。
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DSI进气道的全称是“三维鼓包式无附面层隔道进气道”,DSI到底有什么魔力?技术实现真的有那么难吗?让我们先充分了解战机的进气道。
我们知道,进气道是将空气引入推进系统的一个关键部件,其将迎面流入的高速气流减速,把空气预压缩,使得进气道出口流速适应压气机或燃烧室的要求,气流在进气道内压缩时的总压损失要低,而且进气道出口压力场、温度场和速度场能适应发动机工作的需要。要知道,进气道总压恢复系数提高1%,可使发动机推力提高1.3%~1.5%,单位燃油消耗率降低约2.5%。此外,进气道还是飞机前向三大强散射源之一,占飞机整机前向RCS的30-50%。所以不仅要考虑进气道在飞行包线范围内为发动机提供充足和平稳的空气流量,还要考虑总体布局约束下的隐身要求。
洛克希德的设计师凯利·约翰逊曾得意地说:发动机只提供了飞行所需推力的17%,而我们自己的进气道和喷管提供了余下的部分。其设计的SR-71黑鸟的进气道,在减去了外壁来流压力和激波损失后的正向压差推力占推进系统总推力的56%,可见进气道对超音速飞机的性能影响之大。
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进气道的首要任务是分离附面层。高速下空气可以看成是一种粘滞性的流体,在远离机体表面的区域运动时的“自由空气”的流速相对均匀,但在靠近复杂机体表面时却不是层流状态,而是流速、方向都是混乱的涡流状态,一旦超过转捩点或受到曲面扰动产生负速度梯度差,进而发生附面层分离现象,会导致宏观湍流,这些紊乱的低能量气流如果进入进气道输入发动机,将导致发动机进气畸变、总压恢复降低、压气机叶片失速等等,轻则造成发动机叶片循环受力和震颤,造成金属疲劳,减少发动机寿命,重则导致极为危险的发动机压气机失速喘振,损坏发动机,因此进气道必须把附面层隔离在进气道外。
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早期的战机采用机头进气,而机头是不存在附面层气流的。随着战机机头被腾出来装备大口径雷达,发动机进气道只好后移,附面层气流变得足够厚了,把进气道和机身简单分离就可以剥离附面层。不同的战机在不同的速度下,附面层的厚度是不同的,比如通过风洞试验得出F16在最大速度下附面层厚度为4.5英寸,那么进气道就要与机身隔开4.5英寸。有的战机还会增加阵列小孔进一步吸除附面层。这点YF-23做到了极致, 别出心裁地在进气口前的机翼下表面开了很多小孔,巧妙利用机翼上下气压差吸走边界层并向机翼上表面泄放,解决了边界层分离的问题。
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显然附面层隔道的存在增加了迎风面积,多了一层结构重量,在机身与进气道间的附加空间和外形上的不连续性成为新的雷达波反射源,这正是F22正面最大的信号特征来源。
分离附面层只是开始,更复杂的是还必须通过激波把超音速气流变成亚音速,同时实现对气体的压缩。超声速进气道为匹配入口来流与下游燃烧室产生的高背压条件,会产生复杂的激波串结构。随着背压增大,激波串可能交替出现缓慢前移和快速前移,并可能出现振荡现象,导致其位置难以准确预估,容易造成发动机熄火等严重后果。
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最早的皮托式进气道直接通过正激波把气流剧烈减速至亚音速,总压损失会非常大,会让发动机的推力损失13-15%,侧重亚音速性能,其极速无法太高不超过1.6马赫,但是胜在没有活动部件,结构相对轻盈,比如美军的F100D、F16和中国的歼10A。其中F16采用了与机身一体而仔细设计的保形进气道,巧妙地利用前机身与机身边条翼的强大整流与预压缩气流作用。
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业内而后又发展出激波锥进气道,比如洛克希德的F104是第一款采用了进气锥的量产战机,还有可调激波锥机头进气道的米格21,中国的歼8,法国的幻影2000,黑鸟侦察机等。在激波锥进气道启动时,圆锥的尖端会产生一道均匀分布的圆锥形斜激波,激波会正好落在进气道边缘。斜激波还会在进气道内多次反射,超音速气流每经过一道斜激波,都会减速一点点,经过许多道斜激波后会最终在一道较弱的正激波后变成亚音速,而不是像经过皮托式进气道的正激波一样剧烈减速,因此空气能量损失较低,效率也会更高。
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但是战机速度越慢,激波的倾斜角度就越大,这就意味进气道无法包裹整个锥形激波,会造成进气量不足。于是可调进气锥可以前后移动,使不同速度下的激波面都可以被整个进气道包裹。比如黑鸟侦察机自1.6马赫开始,进气锥会逐渐向后移动,依据皮托管静压测量、俯仰、滚转、偏航、迎角等信息,实时计算进气锥所需要的前后移动距离,最终实现3.2马赫巡航下,进气压力的增加提供了58%的可用推力,压气机提供了17%,而加力燃烧室只需要提供25%的推力,这时就是黑鸟的最佳设计工况。米格21甚至还采用了双锥体,在高马赫数飞行时,两个激波在锥体角度改变处和进气道边缘各形成一个斜波,这两个激波都能捕捉最大压力,将发动机前的空气速度降低到0.4马赫,保证发动机高效工作。
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在激波锥进气道之后,又出现了一种更为先进的进气道:二元式进气道,可以实现对气流更加复杂的控制。气流经过进气道上缘的可调角度的斜坡,会产生一道斜激波,斜激波经过调整后会正好落在进气道下缘上,并在进气道内反射,可调的斜坡可以让进气道在不同的速度下都保持高效率。
比如F15进气口的上唇可调板可以调节进气口角度,自动保证最佳激波位置和进气量控制。超音速客机协和的进气道则有两个可调斜板。超音速轰炸机XB-70更是开创了将多波系外压缩和内压缩结合的二元进气道。对于一架进气速度超过3马赫的巨型轰炸机来说,普通的二元进气道的减速性能远远不够,8条斜激波只能将气流减速到1.6-1.8马赫。而XB-70的进气道在外压缩结构后紧接着的就是可调的内压缩结构,在超音速下,这个机构就会收窄以加强减速效果,3马赫的来流会减速到0.4马赫,此时总压恢复系数依然保持在80%以上,对于3马赫的进气道,这个数据非常优秀。只是XB-70最终还是陷入了典型的美式军工研发陷阱,耗费巨资提出了精妙的解决方案,但是可靠性和实用性上却败给了苏联平平无奇的技术整合。
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前苏联重型远程制空战斗机苏27的进气道分别“附着”在两侧机翼翼根处下方,进气道入口位于翼身融合体的前下方一块扁平宽广区而受到了遮蔽作用,从而使入口处的气流即使在大迎角和大侧滑角工况下,仍然可以保持稳定,保证苏27达到了当代战斗机前所末有的高度机动性。它采用的二元带可调斜板四波系进气道,短而直,在高速飞行时有较高的进气效率。下表面设有格栅式开缝辅助进气口,两侧设有斜板式边界层吹气口,进气口底部有铰接式精磨钛合金防异物挡板,正常飞行时挡板向下折叠与进气道底部贴平,起落架放下时自动升起,防止飞机起落滑跑时外来物进入进气道。
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二元可调进气道结构复杂,重量大,其矩形的截面相当于是一个角反射器,使雷达波能被原路折返,大大的增加了被雷达发现的可能性,于是加莱特进气道出现了。加莱特进气道也被称为双斜切乘波进气道,类似楔形乘波体,通过两个斜面形成一道斜激波,然后再被平面包裹,使得进气道的压力恢复对迎角和侧滑角的敏感性比常规进气道要小,机动性能更好,极大的扩展了固定式进气道的工作效率范围,打破了传统固定式进气道亚声速性能好,但是一进入超声速状态性能就急剧下降的局限性。隐形方面,其截面可以被设计成平行四边形,从而避开直角边的角反射器效应。进口上侧和内侧均有前缘后掠的压缩斜板,进气道的唇缘会设计成后掠,这能降低前视雷达的散射。
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苏57采用了复杂的临界截面积可调的加莱特进气道,可调面板由前后两块组成,中间有一条缝隙,附面层正好可以从缝隙中排出,还可以实现对激波位置的调整,产生复杂的激波系。苏57的进气口上方还有巨大的可动边条,让飞机在低速时能够维持更大的攻角,前缘襟翼在亚音速时放下还可以辅助发动机进气。
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F22则是采用了不可调加莱特进气道,能够良好的兼顾高低速飞行能力。但是在速度大于1.5马赫时,虽然可以通过调整流量系数,通过大面积阵列小孔抽除进气道内的附面层,消除附面层干涉使得超声速总压系数提高,但进气道毕竟总体不可调节,总压恢复系数在1.8马赫时只有0.88,2.0马赫时更降低到0.80。F22的加莱特进气道还是采用了附面层隔道,设置了排气口来排出附面层的空气,会带来一定的放气阻力,并增加了重量和结构复杂度,破坏机身隐形。
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现在我们回到DSI进气道,DSI全称是“无附面层隔道超声速进气道”,将乘波进气道的设计水平从二维提升到了三维,是三维乘波体压缩面和前掠进气唇口整体设计的进气道,精妙的整合了附面层分离与超音速气流压缩技术。进口道前的串联多级圆锥压缩面,会产生横向压力梯度,驱使附面层向前掠进气唇口溢出,在保持总压恢复系数等进气性能参数基本不变的前提条件下,可以脱除99%的附层面气体,无需常规的附面层隔道结构,也没有放气系统或旁通系统,可以实现多达300公斤的显著减重。
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另外前掠进气唇口会产生激波,和三维凸包的激波形成双激波,这个曲面还使得超音速流体在这里产生了连续的偏折,产生了一片连续的斜激波,连续的斜激波形成了三角形的区域,最后落入一道正激波。进气唇口外激波、连续的斜激波和一道正激波让进气道实现了高效的气流减速。
DSI进气道除了没有附面层隔道的腔体散射、二元进气道的角反射,三维凸包配合S性内进气道还可以在在前视方向上遮挡发动机叶片,而发动机叶片对战机正面雷达反射截面积贡献较大,所以DSI是综合隐形效果最好的进气道。当然,不同于加莱特进气道规则的平行四边形,DSI进气道复杂的前掠进气唇口和三维凸包会产生电磁散射,还需要采用针对性的隐形材料。
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中国的DSI进气道有今日之表现绝非一蹴而就。
作为中国首款DSI进气道的枭龙,杨伟接棒屠基达担任总设计师。格鲁曼公司提出的40度后掠边条翼,肋部进气道向内倾斜10度以改善大迎角性能的建议保留下来。而全新的DSI进气道方案设计工作进行了近两年,经过4轮进气道模型高速风洞试验及1轮低速风洞试验研究,不断改进和完善,机体减重100多公斤。因为是首次应用DSI,为了降低风险,枭龙还是增加了附面层的阵列小孔,强化附面层气流脱除效果,发动机推力因为新的进气道设计而增加了2.6%-6%推力。最最喜人的就是,DSI进气道亚临界状态比较宽的优点彰显无遗,能自动适配空气流量的变化,最终到发动机那里都比较稳定。发动机的工作稳定性大大提高了。枭龙战机不管飞得快或慢,发动机都更不容易熄火。
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“特立独行”的宋文骢牵头歼10B/C改装DSI进气道,破除了“机腹进气口不适合改DSI,会影响大迎角飞行性能”的流言,其具有主次侧唇口,唇口边缘向上逐渐变厚,鼓包也相应增大,不仅取消了“枭龙”鼓包上的附面层吸除小孔,还从正面完全遮蔽Al-31FN发动机的风扇,充分显示出成飞在DSI进气道研究上的进步,在2马赫时的平均总压恢复系数接近0.87,1.8马赫时不低于0.91,这个数值尽管略低于复杂沉重的二元四波系可调进气口,但大幅高于歼10A的固定式皮托进气道,还大幅度领先F22的加莱特进气道。
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由沈飞副所长刘志敏担任总设计师的攻击11,由运20总设计师唐长红继续担纲的轰20,均采用了背负式DSI进气道,考虑背负式进气道在较大迎角时不能很好利用高能来流的冲压,所以必须与飞翼进行一体化综合设计,利用后掠飞翼的边条漩涡,扫除背部进气口的低能量气流,可以提高大迎角时总压恢复和降低畸变。
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歼-20的DSI进气道更是中国进气道技术集大成者。我们知道歼20的气动结构有两个鲜明的技术特点,一个就是共面的鸭翼边条加三角机翼的气动布局,另外一个就是蚌式超音速无附面层隔道进气道。使得歼20装备2台性能比较惨淡的AL-31F发动机,也做到了50-60度大迎角飞行,具备极佳的超音速升阻比和亚音速机动性,还有不亚于苏27的航程。
歼20进气道的鼓包视觉上一目了然的变化是由枭龙的“A杯罩”进化到了“D罩杯”,最简单的形状变化彰显歼20天生就是一款高空高速战斗机,夺取制空权是其最核心的性能指标。在信息机动时代,物理域上仍然要求歼20能够快速接近或脱离对手,更高的升限来增加高度与能量优势,优异的爬升率以在垂直平面稳定截获或摆脱对手,优秀的滚转敏捷性和转弯盘旋机动能力以获得或阻止对手获得开火机会,在攻防两方面都要对敌机形成了牢不可破的不可逃距离优势。
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在认知机动时代,虽然从进攻角度看,飞机速度对导弹的赋能优势会随着远程空空导弹的发展而缩减,但从防御角度看,速度和机动性依然是高端战斗机的最后一道生存屏障,是飞行员最信得过的生存手段,虽然使在用频率上相比四代机会有下降的趋势。
速度是空优战机永无止境的追求目标。如果说以前和当代空战对战斗机速度的要求更多来源于交战层,那么未来对战斗机速度的要求会更多来源于任务层。随着美军采取后撤、分布、加固等系列措施后,强调飞机必须从更远的距离发起,甚至从反介入作战距离以外发起。更远的发起距离将至少带来两个重大变化,一是飞机的出动架次率会大幅下降,二是需要繁重的加油保障支援才能实施纵深穿透,这两个变化对攻防两方的战斗机速度都有着较大的影响。从攻方来说,战斗机全程以马赫数1.5~2.0巡航,至少比0.8马赫巡航增加了1.9~2.5倍的出动架次率,大幅提高了攻击效率;从守方来说,基于来之不易的情报,抓住稍纵即逝的机会,攻击对手预警、加油保障区域对于切断对手任务链条是至关重要的,这同样对飞机的大巡航速度有着迫切需求。
所有这些都让歼20对飞行品质的要求相当高,对DSI进气道的要求自然就会更高。
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相比歼20A,歼20B的DSI进气道鼓包在形状、位置和蒙皮颜色上都发生了显著改变。鼓包位置更靠上和提前,形状也更加尖锐,取而了歼20A比较圆润的DSI鼓包,此举能够明显减小超音速巡航时的阻力。另外,歼20B的进气道唇口进行进一步精细化修形,拥有完美的进气口两侧宽速度自适应溢流控制,可自适应的限制高马赫数下的正激波外推,自适应的把正激波限制在狭道内,既减少了阻力,又增加了总压恢复。鼓包蒙皮颜色的变化也相当值得回味,在长时间超音速巡航状态下,DSI进气道鼓包处会因气动加热而达到约150℃的高温,为了应对这一挑战,歼20B完全体DSI进气道鼓包更换了颜色更深的超材料,以提高耐高温性能。
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从歼20B的鼓包形状,我们可以大胆推测其采用了等熵锥导乘波体,相对于简单的单锥体鼓包,其可以产生复杂的激波串,会削弱鼓包锥形激波的强度,使其主流区和分离区总压损失减小,从而提高鼓包外压缩系统的总压恢复系数。波系数目越多,提升程度越大,这一优势在2.5马赫这样的高马赫数下更加明显。计算仿真表明等熵鼓包性能明显提高,总压恢复系数提高约5%,同时畸变指数下降约0.03,在高空高速下可增大约7.5%的推力。歼20为高空高速做了极致优化,“一进入超音速就是它的天下了”。
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而对F35的机身和进气道进行仿真推测,其最高速度在1.6马赫左右,如果超出1.6马赫,斜激波角度降低,斜激波与正激波耦合产生的流动分离会进入进气道,大大降低进气效率。
可见设计DSI进气道的难点在于,因为不存在附面层隔道,机身对气流的扰动会影响到进气道,进气道唇口和鼓包需要和机身做整体设计。进气道鼓包是三维的复杂曲面,我们需要对机身和进气道做计算量庞大的数值模拟和优化。在计算机算力匮乏且昂贵的年代,采用DSI进气道是不可行的。相对而言,传统的有附面层隔道的进气道,机身和进气道可以分别设计,再组装在一起。且进气道都是2维或者中心对称的,方便用公式计算激波系,不依赖计算机算力。
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为了进一步拓展战机的工作速域,业内又在研究变几何DSI进气道,通过改变进气道的捕获面或喉道面积来实现进/发流量匹配。虽然没有足够的证据表明歼20B采用了更先进的变几何DSI进气道,以适应涡扇15更宽广的发动机飞行包线,我们还是可以对可调DSI进气道进行一下合理推测。
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第一种方案最简单,进气口鼓包固定但是进气道侧面增加可调挡板,可随速度变化改变激波系和喉道面积,实现主要速度段的优秀的进气控制能力,同时可调挡板重量轻于传统的进气道附面层分离板,也不影响隐身性能。
也可以采用形状记忆合金来制作鼓包,记忆合金能够记忆特定几何形状,并在温度变化的驱动下在奥氏体和马氏体晶体结构之间切换,从而能够瞬间切换回自己的初始形状,无需机械结构,即使重复500万次也不会疲劳断裂,出力本领可达自重的100倍以上,通过激光增材制造等技术可以制造复杂曲面的记忆合金鼓包。在航空航天工业中,记忆合金已经用于可变截面扇形喷嘴、减震器和致动器等部件。但是,由于记忆合金本身的复杂力学特性,其在进气道内的非均匀气动力作用下变形精度较差,还存在多次循环后记忆效应衰退等问题,这些工程问题都需要大量的材料和工艺的研究。
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或者还可以采用自适应柔性智能蒙皮,这种“柔性蒙皮”由弹性胶膜和高弹纤维复合而成,并在“柔性蒙皮”内表面布置应变传感器和位移传感器,可以根据速度平滑调节鼓包形状或进气道的喉道面积。
回望过去,新中国首任飞机总设计师黄志千、顾诵芬等几代人航空人“连滚带爬搞出来”的歼8已经渐渐远去,如今,歼20已经让美国人不得不加速6代机研制,中国的DSI进气道已经开枝散叶,成为新锐战鹰的技术底座。"和平珍珠"计划的夭折让中国学到了很多东西:与西方国家展开技术合作必须拥有雄厚的技术基础,否则就会遭到歧视性愚弄,以我为主的国防科研体系才能承载起一个航空大国的光荣与梦想。
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