苏-27设计(气动和/或结构)是否真的落后于F-15?

中央升力体的气动模型是TSAGI提出来的。美国方面也有类似的方案,但是因为浸润阻力太大被否决了。当年俄国人就这水平好吧,俄国人在空气动力学的积淀就这么多。60年代末70年代初俄国人在升力系数和升阻比这两个指标只能保一个,米格23升阻比不错,有12,但是升力系数拉胯,导致其机动性跟米格21比没有本质上的提高。究其原因就是其翼面积太小,机翼内翼段面积小导致外翼段变更角度时整机的气动中心移动量增加,使得结构重量增加,过载能力受到限制,极大影响了飞行品质和升力系数。至于苏24则是个升阻比只有9.5的贵物!同志们,一个VG翼的飞机升阻比只有9.5是个什么概念呀。VG翼的特点就是在小后掠角时展弦比高,升力系数和升阻比大。苏24连VG翼最大的优势都没发挥出来压根就是一个不及格的产品。人比人丢人,货比货得扔。看看老美家的竞品,F14升阻比15,最大升力系数2.3。而F111升阻比高达16!就连二代机F4鬼怪升阻比都有10.2,问题是F4的气动布局定型是什么时候的事呀?50年代中期呀!俄国人拿啥跟人家比?所以米格29和苏27共用同一个气动模型不是没有原因的。当年毛子就这水平,换成其他方案更不行。起码该气动模型在升力系数和升阻比之间取得了兼顾,苏27升阻比11.8-13,最大升力系数1.85。到现在TSAGI和苏霍伊一直在打口水战,为谁是苏27之父争论不休。原版T10的性能通过测算压根达不到VVS的标准(和F15/16抗衡)这还是TSAGI低估性能的F15/16。所以到了后期苏局上上下下都知情,不然VVS会同意西蒙诺夫推倒重来?

虽然苏27采用了中央升力体气动布局和前缘襟翼 后缘襟副翼和翼身融合等先进设计理念,但并非没有缺陷。

1、气动问题:

苏27气动布局最大的问题是边条配合后掠翼的问题,当迎角增加,边条产生涡流,涡流的升力是非线性的,当迎角突然增大,碰上翼尖气流分离,升力减小,机头就不可控上仰,唯一庆兴的是,上仰过90度后可以通过提前的操作慢慢恢复,眼镜蛇机动其实就是从这个缺陷演化来的。二七迎角过27度翼尖气流发生严重分离导致升力系数不升反降,分离迎角随m数增加减少。迎角超过30度即发生航向自动偏离,而横侧仍静稳定导致越侧滑越向反方向滚转,不加控制即发展成螺旋。所以眼镜蛇机动规定四十度迎角左右要快速通过并且要蹬舵防侧滑,而眼镜蛇飞机其实空速管根部有一个小小的扰流片控制机头不对称漩涡。而且二七四十度迎角附近还存在迎角悬挂问题,压杆无法降低迎角,空战中发生这情况等于靶子。

后掠翼在接近失速迎角时,因为气流分离首先从翼尖开始发生而导致非线性力矩变化,而且其剧烈程度随后掠角、展弦比增大而迅速恶化,这种特性的机翼会导致战斗机在接近失速迎角时突然而又不可控制地增加迎角,使飞机一直上仰直到失速、完全失控进入尾旋。在第三代战斗机广泛应用涡升力并追求大迎角性能的情况下,后掠翼已经成为现代航空设计理论中明确指出不适合与边条、鸭翼等涡流发生器相组合的机翼平面形状。它带来的“跨音速陷阱”问题,却是实打实地成为苏27在现代空战中的重要性能劣势之一。

战斗机跨声速范围内进行剧烈机动时会迅速减速,当战斗机从超声速状态减速进入亚声速状态以后,升力中心将迅速前移。这种升力与重力的跷跷板游戏带来的直接后果,就是战斗机的机头会自动翘起、形成上仰,并且过载也会急剧增大。为了避免这种抬头趋势诱发后掠翼的俯仰力矩上仰特性进入失控状态。苏27对整个跨、超声速范围内的最大可用迎角和过载采取了降低指标的措施:在马赫数达到0.85时,其可用最大过载迅速由9G下降到6.5G。

2、结构问题

飞机气动弹性理论的经典总结之一,就是在进行机动(比如滚转)时,后掠翼的控制面在气动弹性效应下发生的气动扭转,正好与机动所需要的控制力方向相反;操控效率随刚度降低而降低,随气动压力升高而降低。而后掠翼的翼梁在布局无法垂直于机体布置,受力条件本来就比较差。而苏27机翼不仅翼型较薄、而且翼根长度也很短,这使机翼与机身的结构连接面积很小且缺乏足够高度,整体刚度和抗扭转性能非常差。

由于机翼刚度严重不足,苏27没有在变形幅度最大的机翼外段布置副翼,而是由机翼内侧的襟翼兼顾起副翼的作用,并依靠前缘襟翼和平尾的差动来改善滚转控制能力。然而即便如此,由于苏27采用了宽间距布置的双发动机吊舱设计,其转动惯量是所有三代机中最大的。

苏27战斗机设计取舍的背后,反映的是它特别注重高空高速与亚声速持续机动性能间的兼得,而其他方面的飞行性能例如滚转等,往往并不被特别看重。

苏27SK机体寿命比F15短很多,原因是当时项目确定采用临界结构为主,很多试验并不完善。后来逐步修改,比如说出售给中国的苏27SK的空重由原版的16.3吨提升到16.8吨。空重的增加体现了结构的补强,提高了飞行寿命。由于苏霍伊当年采用了临界结构为主,导致后来国产化歼11B、BS、15、16重新按照国军标规定的载荷谱进行结构补强和调整,其寿命由最初的2000-3000小时提升到4800小时以上。

3、F15

3.1气动布局

F15的气动布局比较简洁,突出的理念就是轻重量和高推重比。15的主要设计点就是满足空军提出的0.7马赫到1马赫之间机动性和超音速截击性能。未采用主动控制技术(ACT),基本未放宽静稳定度(RSS)、没有直接力控制(DFC)、没有机动载荷控制(MLC)

F15在翼根和机身有整流罩,还算不上严格的翼身融合,但比不融合的强些。机翼前缘半径比较大也比较钝,抑制气流分离,起到部分机动襟翼的作用,mig29与其类似。为了改善飞机亚音速性能并考虑重量、制造工艺和系统复杂性方面,设计采用切尖三角翼翼形和前缘固定锥形扭转设计,可以改善机翼结构、增大机内容积,使飞机在跨音速区的阻力增加变得更加平缓,飞机跨音速时焦点移动量也较小,减小了配平阻力。机翼采用高达3的展弦比,配合为5的根梢比,有利于推迟翼尖分离,明显减小了机翼诱导阻力;同时较大的展弦比提高了机翼升力线斜率,改善了机翼升力特性。同时展弦比增大,超音速零升阻力系数也增大,增大了跨/超音速的波阻。

进气道外侧有凸出的整流罩,从机翼根部前缘向前延伸,大迎角下可以产生涡流,推迟机翼失速和提高尾翼效率,相当于边条翼,但由于整流罩前缘半径较大,具有较大吸力,气流不易分离,其效果不如边条翼好。整流罩结构经过机翼向后延伸,形成尾部支撑桁架(尾撑)结构,除了提供尾翼安装空间外,大迎角下还能产生一定的低头力矩,改善飞机的大迎角性能。布局上紧凑机身,机身纵向横向尺度小;结构上第一次采用全钛合金大整体框,强度高,重量轻。

F-15C空机推比1.66(21.6/13),F-15K空机推比1.82(26.4/14.5),空战推比在1.35至1.48之间。凭借发动机窄间距布局和副翼 平尾的帮助,滚转性能比苏27好太多。

鹰的外形看着是不复杂,但是以苏联人的功力,只能设计出一种推比较低,超音速CD0(风阻系数)略高,亚音速升力系数CL一般的飞机。总体上类似25/31的亚音速机动提升版。鹰在翼载较低的情况下有接近29的CL和CLα(迎角)、CDx,高于29的推比,不错的内油量,36英寸的火控雷达天线,坚固的翼下挂点(9g过载能承受一对六百加仑装满副油箱,鹰最特殊的能力之一)。这些要求能出现在同一加飞机上堪称奇迹。

所以这也从另一个侧面证明俄国人为什么会采用中央升力体气动布局,因为其常规方案的设计压根达不到F15的飞行性能。

3.2结构设计

中机身3个框、后机身6个机框全部采用钛合金锻造,机翼内侧的部位、三个主翼梁和与之连接的壁板都是钛合金结构,使得F15的机体非常坚固,载荷谱很高,寿命高。

4、飞行性能的比较

苏27 F15/16三者的最大持续角速度都是21度,瞬时角速度分别为28度 29.3度 25度。PS(F16版本不同其持续角速度和瞬时角速度略有差异。苏27SK比原版苏27S增重半吨,持续角速度略有降低。)可见苏27无论最大瞬时角速度还是持续角速度都没有超过F15,但是和F16类似不需要大迎角就能飞出较高的角速度故而在180度战斗周期占优。F16B50 15度迎角角速度25度,苏27 24度迎角角速度28度,而F15C37度迎角角速度29度。虽然F15看上去角速度最大,但是众所周知,迎角越大诱导阻力越大,37度迎角下诱导阻力大得惊人,而F15只有中等升力线斜率,37度迎角下升力系数只有1.6,远低于F16和苏27,所以F15机动升阻比不如前者,180度战斗周期没有优势。F15的优势在于强大的SEP 加速性和不错的盘旋 滚转能力。

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