YST漫談隱形戰機（XI）：風洞和J-10

上接「漫談隱形戰機（X）：回答第一篇的七個問題（下）」

 

（二十）風洞

 

甲. 風洞的發明和應用

 

飛機設計有一個非常重要的設備，那就是風洞。隨著飛機的速度越來越高，還有導彈和太空船加入飛行的行列，風洞就成了設計飛行物必不可少的設備了。

 

世界最早的風洞是英國人在1871年建造的，但是飛機的發明人卻是美國的萊特兄弟。萊特兄弟在1901年建造了一個風速每秒12米的風洞，用它做實驗發明了世界上第一架飛機。但是真正有系統地建造大量風洞的是德國人。

 

1907 年，德國的哥廷根大學成立了「哥廷根空氣動力實驗院」，這個實驗院的創辦者和主持人就是後來赫赫有名的普朗特教授（Ludwig Prandtl，1875~1953）也是流體力學的奠基人，被稱為「現代流體力學之父」。普朗特認為研究空氣動力學必須做模型實驗，於是在1906年建 立德國的第一個風洞。接著在普朗特的領導下，德國耗費鉅資建立了一批低速、高速、超高速和特種風洞。

 

普 朗特善於觀察同時也善於分析，成就他非常傑出的學術能力和學術貢獻。普朗特的直觀洞察能力使他深入瞭解物理本質，然後他傑出的分析能力再把物理本質用數學 方程式概括出來，這樣結合了物理性質和數學理論就奠定了流體力學的理論基礎。當時的德國在流體力學，特別是空氣動力學上領先世界。根據這些紮實的理論基礎 和風洞實驗，德國製造了V1和V2火箭還有世界第一個噴氣發動機。

 

乙. 中國的風洞設備

 

普朗特教育了一批高徒，其中一位傑出者叫馮卡門（Theodore von Karman，1881~1963），是流體力學的第二代掌門人。馮卡門也教育了一批高徒，其中一位傑出者叫錢學森，是流體力學的第三代掌門人。

 

不過中國的第一個風洞不是錢學森建立的，而是清華大學在1936年自行設計的，直徑1.5。

1936年，清華大學在南昌建造了直徑4.5米的風洞，最大風速達到每秒58米。

1947~1948年，清華大學在北平建造了橫切面為橢圓形（0.762米x1.016米）的鐵殼風洞，風速每秒40~50米。

 

想想看，上個世紀的三０年代和四０年代中國是在戰亂中掙扎，但是即使在如此艱苦的環境中我們的科學家仍然努力從事尖端研究，並沒入忘了知識分子對國家的責任。

 

新 中國成立後，在錢學森的指導下建立了一批現代化的風洞群，高速攝影機、高速計算機、各種應用軟體等等現代化的設備一步步成套地建立。根據新華社2006年 的報導，中國建成各類風洞一百四十餘座，在風洞試驗、數值計算、模型飛行試驗等領域取得長足進步，空氣動力學的設備、技術和人才均跨入國際先進行列。

 

2008 年11月13日，中國空氣動力研究基地慶祝40周年，在紀念大會上基地負責人王希山介紹，該基地擁有52座風洞，是亞洲最大的風洞群，其中有八座屬於世界 領先。風速從低速、高速、超高速構成銜接，能夠進行從低速到24倍音速，從水下、地面到94公里高空，覆蓋氣動力、氣動熱、氣動物理、氣動光學等領域的空 氣動力實驗能力。研究的課題從各型戰機、神州系列飛船、「和諧號」高速列車、還有上海三百多米高的東方明珠塔等等。

 

設計和建造風洞不是一件簡單的事，低速的風洞可以用風扇吹，超音速的風洞就需要用壓縮空氣了，實驗的時間只有幾秒甚至幾毫秒，困難的程度遠非一般人能想像。

 

中國的風洞群完善的程度世界第三、亞洲第一，僅次於美國與俄國。

美國與俄國的優勢是風洞的直徑很大，可以把整架飛機放進去。

 

風洞設備耗資巨大，風洞實驗也耗資巨大，尤其電力的消耗是非常驚人的。風洞的建立百分之百是為了設計飛行器的外型，風洞實驗是設計任何飛行器的必經過程。

譬如美國「哥倫比亞號」太空梭的外型設計在風洞實驗上就超過三萬小時，美國為了計算F-22菱形機身的空氣阻力係數進行了二十二種不同的風洞檢測。想想看，這得花多少時間和金錢。

中國的神州飛船和J-20戰機也是一樣，單是風洞實驗就是一個巨大的工程。

 

對隱形戰機而言，風洞實驗尤其重要，因為有些隱形的設計是以犧牲氣動性能為代價。

 

設 計隱形戰機的外殼形狀過程非常複雜，需要耗費極大的人力和物力，絕不是一件簡單的事，也絕不可能“山寨”別人的成品。隱形戰機的設計必須腳踏實地從理論計 算、風洞實驗、暗室測量反覆進行，一步都不能少，並且要留下詳細記錄。如果過程中有任何馬虎，那麼當飛機製造出來試飛出現問題的時候，很可能連問題的源頭 都找不到，這還怎麼解決？

 

丙. J-10的例子

 

飛 機是一個外形複雜的物體，它在高速飛行時所產生的種種問題非常複雜，不可能有理論模型，「風洞實驗」可以解決大部份的問題，但是仍會有漏網之魚。譬如中國 J-10戰機即使經過無數次的「風洞實驗」，在試飛的時候發現機頭部分有震動的情形，是「風洞實驗」沒有看到的。最後解決的方法是在進氣口和機頭下方用六 個“小棍子”連在一起（見圖25）。

 

 

圖25：J-10A

 

大 陸很多網友最初以為六個“小棍子”是因為機身結構不夠堅固所採取的加強措施，台灣也有網友也跟著發出惡意的批評說J-10的結構有問題。後來發現這些“小 棍子”其實是方向不同的薄片，它們的作用不是加固結構而是改變氣流的方向，避免引起共振。這個實際例子告訴我們設計戰鬥機的外型是一個非常細緻和困難的工 作，即使經過風洞實驗也會有未發現的問題。

 

丁. J-10B 的誕生

 

任何戰機都是不斷改進的，譬如美國的F-18從AB型到CD型再到EF型，價錢也不斷地攀升，最新的F-18EF價格接近一億美元。每次改進只要機身有改變就一定要通過風洞試驗，譬如F-18EF的機身是加長的。

 

大陸的J-10戰機也是一樣，服役後改進的工作一直在進行。

 

讀者在圖18看到的是J-10A。2009年04月，J-10B出廠了，見下圖。非常顯著的改變引發一陣轟動和熱烈的討論。

 

 

圖26：J-10B

 

J- 10B不是小修改，而是包括外型在內的巨大改進。看到沒有？J-10A進氣口上面的幾根“小棍子”已經沒有了。J-10B的外型非常漂亮，但是更重要的是 性能，YST 個人認為J-10B 的性能超過美國最新型的F-16CD，是三代機中的佼佼者，部分跨入四代機（俄國所謂的五代機）。

 

J-10B 的主要改進如下：

 

Ａ. 進氣道

 

進 氣道的設計對高性能戰機非常關鍵，因為戰機在不同的高度、速度和姿態來飛行需要不同的進氣量進行燃燒，必須和發動機有緊密的配合才能得到最佳的燃燒效率， 它直接影響飛機的動力，這不是一件簡單的事，搞不好甚至會造成發動機空中停車，這是非常危險的事，高空啟動發動機有高度風險，很多飛行員因此送命。

 

J-10B採用了最先進的DSI進氣道（又稱“蚌”式進氣道），見下圖。讀者在J-10B的進氣口上方可以清楚看到一個鼓包，那就是“蚌”式進氣道的設計。這個鼓包的形狀是可調節的，用來控制空氣的進口量。

 

 

圖27：J-10B 的 DSI進氣道（又稱“蚌”式進氣道）

 

DSI進氣道有兩大好處：

a. 屏蔽了發動機的葉片，大大地降低了雷達截面和雷達特徵；

b. 節省了進氣道和機身的隔片，J-10B因DSI進氣道減重一百八十公斤。

 

DSI 進氣道是美國最早發明的，但是只用在F-35上而且是不可調的。中國立刻跟進而且將它發揚光大，成為可調的“蚌”式進氣道，提高了超音速飛行的效率。成都 飛機設計公司已經把這種先進的進氣道成功應用在J-10、FC-1（「梟龍」）和J-20，比它的發明者，美國洛馬公司，有更多應用的經驗。

 

Ｂ. 有源相控陣雷達（Active Electronically Steered Array，簡稱AESA）

 

「有源相控陣雷達」一般被定義為四代戰機的標準配備，所以J-20一定會裝備有源相控陣雷達。

 

今天已經証實J-10B裝備了中國國產的相控陣雷達，顯然大陸計畫把這個先進的電子產品先在J-10B做實驗。

 

中 國的周邊國家已經開始或即將換裝相控陣雷達，譬如法國的「陣風」、歐洲的「颱風」、俄國的蘇愷-35S、印度的蘇愷-30MKI、就連韓國的F-15K都 計畫要換裝美國的有源相控陣雷達，而日本早在2000年就裝備了自己研發的有源相控陣雷達，這些3.5代（西方標準）或後四代（俄國標準）的戰機對中國構 成威脅，無論是J-11B或J-10A的電子系統都面臨壓力，所以J-10B裝備了中國國產的有源相控陣雷達是很自然的事。

 

相控陣雷達是一個非常重要的電子設備，YST將在下一篇作專題討論。

 

Ｃ. 超音速巡航

 

大約一年前YST曾經看到報導J-10可以做短暫的超音速巡航（好像是15分鐘），YST猜想也許是試驗新研發的渦扇-10II（WS-10B）達到的。

 

不過中國大陸航空發動機的重點目標應該是「太行」，目前處於量產前關鍵性的最後試驗期間。近來「太行」發動機出現在越來越多的國產戰機上，甚至是特別強調安全的未來的艦載機J-15上，「太行」發動機的可靠性將一步步獲得提昇。

 

J-10B的空重只有8.6噸，如果裝備「太行」發動機肯定有能力進行超音速巡航。

 

Ｄ. 隱形

 

J- 10B在外型上有顯著的改變，網上洩露的消息是RCS降低了一個數量級。其實J-10A在設計的時候已經有隱身的考量（譬如翼身融合），RCS不會超過 3m2。如果J-10B的RCS降低了一個數量級，那麼它的RCS就應該在0.3m2左右。依照YST的定義，RCS小於1的戰機稱為隱形戰機，所以J- 10B可以列入低端的隱形戰機了。

 

戊. J-10B將成為一個低端的五代機

 

2009年11月08日中國空軍副司令員何為榮在接受中央電視台訪問時透露，中國正“緊鑼密鼓”地研製第四代戰機，“可能很快要進行首飛，首飛又很快就進行試飛，很快就裝備部隊。根據現在的情況可能還有八到十年罷。”

 

這是解放軍重量級將領在國營電台發表的談話自然引起重視，中國的第四代戰機立刻引起熱烈討論，亞太的勢力平衡將被徹底打破云云，英國的【簡氏防務週刊物】根據模型甚至推測中國的新一代戰機隱身性能和綜合性能都將超越美國的F-22和俄國的Su-35。

 

中國大陸的武器研發一向行事低調，中國軍方歷來不喜歡說大話，竭力避免“中國威脅論”的出現。於是過了幾天空軍有關負責人就出來滅火，解釋說中國所謂的第四代戰機是殲-10的一種改良型。當時這番滅火的話引起不少大陸軍迷的失望。

 

今天看來上面的兩種說法都對，何為榮副司令員說的是J-20，後來空軍有關負責人說的是J-10B。

 

中國大陸的J-10就像美國的F-16，量產後的J-10每一批都不同，不斷地修改和演變進行性能提升，現在已經顯露的徵兆是J-10B將滿足「４Ｓ」至少成為一種低端的四代機（俄國定義的五代機）。

 

YST非常認同「成都飛機公司」這種做法，不追求極致性能，要求均衡發展，始終把價格控制在能夠持續生產的範圍，這才是正道。

 

追 求戰機在某個特定方面的極致性能是非常不智的，譬如F-22在隱身能力上不顧一切的追求。戰機作戰不是一對一的單挑而是多方協同的作戰。如果中美真正打起 來，在空中預警機、衛星和各種長程地面雷達支援的複雜環境下，昂貴的F-22A對上便宜的J-10B未必具有優勢，這要看雙方戰術的運用。面對J-20的 情況，F-22A的優勢就更渺茫了。

 

有關戰術的使用我們將在下面兩篇有更多的論述。

 

 

（未完待續）

 

漫談隱形戰機（XII）：有源相控陣雷達