前掠翼回归?机动性最强战机苏47再现莫斯科航展短板能否克服

时间:2019-10-08  点击次数:   

  在今年的莫斯科航展上,除了苏-35S、苏-57等一批新式战机纷纷登场外,一架苏-47“金雕”验证机也在静态展示区展出。虽然距离它首飞已经过去了二十余年,但这架外形前卫的传奇战机依旧是航空迷们津津乐道的话题。

  上世纪80年代初,苏联军方在苏-27等四代战机基本完成研制工作后,启动了下一代战斗机开发计划,要求在技术性能上全面对标当时美国空军的“先进战术战斗机”,即后来的F-22。

  为了争夺这一订单,雅科夫列夫、苏霍伊和米高扬三个设计局分别提出了竞标方案。其中,雅科夫列夫采用单发鸭式布局,具备隐形性能,但因单发机生存性和续航力不足被否决;米高扬采用双发鸭式布局;苏霍伊则创新性地推出了鸭式加前掠翼方案。虽然苏霍伊的方案在提高机动性和大迎角控制性上优势明显,但出于技术风险的考虑,军方采纳了米高扬的方案,最终演变为米格1.44验证机。

  虽然并未被军方采用,但苏霍伊的设计依旧具有很好的技术验证功能和应用前景,再加上当时美国正在X-29验证机上试验前掠翼技术,所以军方特别许可苏霍伊继续新战机研究,资金则有苏霍伊自己筹集。出于保密需要,此时它的内部工程代号为S-22。

  图为美国X-29验证机,其于1984年首飞,主要用来测试前掠翼、鸭翼等先进飞行器技术,杨红心水论坛345755!积累了大量宝贵的测试数据。为了节省成本,该机使用F-5战斗机的机身和前起落架,以及F-16的控制系统和主起落架等现成材料组合而成。

  S-22的研制其实并不顺利,但在设计出苏-27战机的西蒙诺夫总设计师的强力推动,以及中央流体力学研究所的支持下,在保留前掠翼的基础上将方案推倒从来,于1988年完成初步设计,新方案代号S-32,预计1991年首飞,1996年实现量产。

  苏-47机长22.6米,翼展16.7米,高6.3米,最大起飞重量35吨。对比X-29,如果单纯作为技术验证机的话,体型显得有些“庞大”,更像是真正的重型战斗机。所以有分析认为,西蒙诺夫打算在量产化后,向海军舰载航空兵和国土防空军推销该机,试图为苏霍伊“扳回一分”。

  苏联解体后,保密制度大为宽松,而且苏霍伊也需要吸引海外客户,所以从1996年至1997年多家媒体开始报道这型奇特的新式战机,该设计第一次曝光在公众视野中,代号从S-32改为S-37。1997年9月,S-37首次试飞并震惊全场,到2001年共完成149次试飞。2002年,苏霍伊才将S-37正式命名为苏-47。

  至于米格1.44,在苏联解体后就处于延迟开发状态,直到1994年才组装出第一架实机,1998年首次对外公开,比苏-47晚了近两年。2000年进行了两次试飞后计划暂停,事实上已经被放弃。图为2015年莫斯科航展上展出的米格1.44样机。

  苏-47最大的外观特征是采用了三翼面加上前掠翼的独特气动布局,两者结合,赋予该机优异的气动性能。

  所谓三翼面即由前翼、主翼和尾翼三个翼面组成。苏-47的串联式三翼面由后掠角45度,翼展7.5米的鸭翼,前掠角20度,翼展16.7米的主翼以及后掠75度,翼展8米的水平尾翼组成。

  相对于二翼面,这种设计可以增加升力、改善起降性能、增强机动性和飞行稳定性,并提升可操纵性,在降低飞机的重量,缩小尺寸的同时还可以保持较高的飞行性能。上世纪80至90年代,美国和苏联已经后来的俄罗斯都对三翼面结构进行了深入研究,产生了NF-15B以及苏-37验证机这样的三翼面实验平台。

  1984年,美国空军和NASA合作改装了一架F-15B型战机用于气动实验。该计划第一阶段在飞机进气口两侧各安装一个全动式鸭翼,形成三翼面构型。在0.9马赫飞行速度下,升力系数提升28%,仰俯角速度增大100%,翻滚角速度增大24%,起飞距离缩短27%。图为1996年时NF-15B验证机,加装了三元矢量喷管。

  在这一时期,苏霍伊设计局则利用T-10平台(苏-27的原型机)进行了大量三翼面实验,积累了成熟的运用经验,后来这一设计被应用在苏-47、苏-30MKI、苏-34和苏-33等战机系列上。

  前掠翼是苏-47最重要的气动设计,而这一设计本身并非新事物。1930年代中期,早期技术研究就已经展开。德国在二战末期率先研制出第一种前掠翼喷气式轰炸机Ju-287,但还并未参战就迎来了战败,之后,该机的技术资料和科研人员被苏联获得,借此系统性地接触了前掠翼技术。但该项目于1952年终止,原因是找不到合适的材料来解决“气动弹性发散”对机翼结构的破坏。

  前掠翼与占主流的后掠翼相比,在低速和高亚音速条件下以及大迎角范围内,具备明显的机动性优势。

  这主要是因为,气流流经后掠翼的路径是从机翼根部向翼尖方向扩展,导致翼尖处附面层增厚,气流失速,进而升力降低。而且飞机的副翼一般设置在距离翼尖不远处,失速将会降低副翼的气动性能,影响操纵性。

  但前掠翼正好相反,气流从翼尖处流向机翼根部,使得翼尖处很难失速或者达到失速临界点较迟,副翼也可以充分发挥作用,再搭配鸭翼、边条翼、尾翼等组成的三翼面设计,可充分发挥翼面的升力与可控性潜力。与传统布局相比,前掠翼的升阻比较大,失速特性较好,亚音速机动性突出,起降距离更短,机翼尺寸可以做的更小。

  不过凡事必有好坏两面。与后掠翼不同,在飞行中前掠翼会产生向上叠加向前的弯曲形变,这种弹性形变会造成机翼升力进一步增大,而随着升力增大,弹性形变也会加剧,这样就形成了恶性循环。

  当飞机飞行到一定高度后,轻则扭曲机翼,导致操纵性下降,重则发生不可逆的机翼结构损伤甚至直接折断。上文提到的“气动弹性发散”就是指这种危险现象,正是它阻碍了早期前掠翼飞机的发展。

  有设计师曾试图用增强机翼结构的方式来对抗“气弹”现象,但加固结构带来的重量增长只会抵消前掠翼带来的气动优势,这一问题直到性能更好的复合材料出现后才得以缓解。

  苏-47的主翼结构中碳纤维复合材料占比约90%,显著增加了成本和制造难度,而且出于保护结构的考虑,对最高飞行速度有所限制,此外,前掠翼还存在着超音速机动性弱的问题。

  以X-29验证机为例,需在前掠翼铺覆碳纤维蒙皮,通过把不同强度的材料铺层在一起,改善机翼的“气弹”性能。每侧机翼最厚处可铺设156层,厚度接近20毫米,在当时是对材料技术和铺层工艺的不小挑战。

  作为技术验证机,苏-47沿用了很多现成部件来降低成本,并取消了大部分与飞行无关的设备。例如机身前部由苏-35的机身改造而来,座舱布局也类似;航电系统则取自苏-30MKI、苏-34、苏-27M等战机,处于当时俄制航电的最先进水平;起落架移植自苏-33,并直接挪用苏-27的垂直尾翼。与机翼不同,机身主要由铝合金及钛合金制成,复合材料只占约13%。

  苏-47的外形没有做隐形处理,只能依靠雷达吸波涂层实现有限隐身。摄于2005年莫斯科航展,后面是苏-30和苏-35。

  有趣的是,该机的机首光电传感器与苏-27的型号相同,但位置稍向前移,使座舱盖出现一个缺口,苏霍伊就用不透明的材料堵上了事,省了做新舱盖的钱。这种“抠门”精神与美国同行有的一拼。

  除了气动布局外,对性能影响较大的还有动力系统。苏-47本来计划配备AL-41F型矢量推进发动机,但无奈研发进度严重落后只能先装上两台D-30F6发动机,这是米格-31M截击机的动力来源,推重比仅6.4,而且不具备矢量推进能力,后来又换装了AL-37FU发动机并测试了矢量推进技术。

  前掠翼布局可以消除机翼中央结构对机身前中部的干扰,方便布置弹仓。发动机两侧一长一短的锥形突出,是为后视雷达和电子战装置预留的安装位。

  2002年,俄军方正式确定另一款五代战斗机苏-57为下一代主力战机,住房公积金账号是什么?个人公积金如何查询?。苏-47将作为其技术验证平台使用,2007年,该机在莫斯科航展上最后一次公开飞行表演。自此,苏-47项目正式画上了句号,仅建造一架,被保留在格罗莫夫飞行研究所。

  可以说该机代表了那一时期俄罗斯战斗机气动设计的最顶尖水准,由它验证的诸多技术也被应用到下一代战机的研发当中,承前启后,在世界航空史上留下了浓墨重彩的一笔。

  今年莫斯科航展上这架战机再次出现在展区,不过相对于这架飞机,人们更关注的是前掠翼技术的发展前景。随着数字化飞控、新材料技术、大功率发动机以及气动外形设计的进步,类似苏-47这样的前掠翼战机或许在不久的将来会重新回到我们的视野中。


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