争霸三国_群龙争霸

　　从2010年底到2011年初，对于海内外中国人而言都是一段激动人心的时光。因为一架全身漆黑、造型前卫的战机出现在了中国某机场，引来世人关注。这架飞机在进行了滑跑测试后于2011年1月11日实现首飞，也让中国军迷的心飞了起来。虽然它还处于技术验证机阶段，但仍然意义重大，因为这是中国未来空中武力的新起点。笔者将根据现在所能确认的信息对这型飞机的技术特性做一详细分析，并与F－22、T－50等同级别对手做一比较。
　　
　　尺寸估计
　　
　　歼－20最早有一张与白色地勤车并排停放的照片，而歼－10也有与同样型号地勤车同角度对比的照片。由于歼－10的长度(16.3米)是已知的，很容易通过比例运算得到歼－20长约19米，略长于F－22A，但比YF－22要短。考虑到近大远小的透视关系，19米可能有所低估，但误差不会大，至少不像网络上早先猜测的“22-23米”那样夸张。
　　露面初期的歼－20因只有侧视图，使得网友对其机翼的平面形状毫无头绪。首飞之后，歼－20陆续有一些仰视照片流出，可以较清晰地看到机腹构型与机翼的平面形状，其主翼是后掠角45度左右的切尖三角翼。而歼－20的前视有很浓的F－22风格，机翼很薄，但扭转似乎不明显。如果歼－20的翼展与F－22相当，无论机身厚度还是进气口尺寸都太大了些。所以，推断歼－20翼展并不大，用较小的展弦比和后掠角较大的主翼改善超音速升阻特性，与早先网络流传的想象图一致。歼－20翼下的4个舵机动作筒整流罩非常明显，甚至会让人误以为是挂架，而F－22从前视图几乎看不到这一结构。如果能以F－22为标准进行改进，歼－20无论是气动、重量还是隐身性能都可获得进一步的提升。
　　歼－20垂直尾翼的面积较小，形状类似于F－35。但F－35为固定垂直尾翼，歼－20是全动垂直尾翼，可见后者十分强调偏航轴的操纵性。另一个值得注意的看点是尾部的减速板，向上抬起时兼具减速伞舱口的功能。发动机舱似乎很长，从尾喷管一直延伸到与机体最后端平齐的位置，这一点与T-50类似，不同于F－22。歼－20的垂尾间距较宽，后缘后掠，这些特征均与F－22相反。
　　如果假定机长就是上面估算的19米，那么其他尺寸通过比例运算就不难得到，笔者在此列出结果：翼展13.5米，展弦比2.23，机翼参考面积80平方米，前缘后掠角47度。这里出现了一个问题：翼展13.5米已经相当接近F-22的13.6米，与上面估计的翼展明显小于F－22矛盾。笔者以为，产生这种情况的最大一种可能性应该是歼－20采用了较大的进气口和机身厚度。
　　大尺寸进气口可能是为了与日后的大推力发动机流量相匹配。笔者曾认为DSI进气道的鼓包占据了进气口的入口面积，导致需要增加进气口垂直方向的尺寸加以弥补。但考虑到FC－I“枭龙”自04号机引入DSI进气道后，并没有显著增加进气口垂直方向的尺寸，这种效应可能不如想象的明显。而较大的机身厚度可能是因为我国中距空空导弹尺寸较大，因此对机腹弹仓的空间要求较高。我们知道，为了尽量减小弹舱体积，需要实现导弹和伸缩弹射挂架的小型化，否则只能走增大弹舱体积一条路。T-50由于采用了宽体布局，发动机短舱分开，因此可以把弹仓布置到空间相对充裕的机身中间部位。而歼－20采用了类似于F－22的窄体布局，弹仓应该也在进气道下方，但可能呈串列布置而不是F－22的横列，这样可以充分利用机身的长度。
　　
　　重量估计
　　
　　如果知道了尺寸、布局和用途，就可以着手估计重量了。考虑到发动机向是我国航空工业的软肋，在这种情况下歼－20一定会尽量减小重量以保证优异的空战性能。减轻重量的手段主要有两种：一个是减弱多用途需求，注重基本的空优功能(类似于歼－10)。这样可以减轻对结构强度的要求，因而减轻重量。还有一种可能，就是以降低电子对抗能力和战场生存力为代价，去除部分航电：或者降低超视距能力需求，使用更小尺寸的雷达。
　　为了对这两种方法的减重效果的量级有一个认识，我们以F－16的发展过程为例。F－16的基本空重从第15批次的7240公斤增加到第50批次的8600公斤，增加了约1360公斤。其中，增强的结构重量占约450公斤(从3630公斤到4080公斤)，设备增加约910公斤(包括为了支持BVR能力而增设的雷达连续波照射器和电子对抗设备等)。双发重型机的例子也有很多，比如F－15E相对于F－15D结构增强较多而航电增设较少，在不携带保型油箱时比后者增重约998公斤(基本上就是结构重量的增加)。因此，似乎第二种减重手段效果更好些。实际上，也确实是第二种手段更立竿见影。因为拆卸电子设备是非常容易的，飞机大修过程中的电子设备都要拆除。而且这种方法在实战中曾经有过应用――以色列空军在1981年空袭伊拉克反应堆的“歌剧院行动”中，为了提高F－16的航程就拆除了部分航电。单发飞机尚且如此，双发重型机的固定设备通常有2500～3000公斤，减重潜力更大。
　　但也应该注意到，第二种方法本质上是拆东墙补西墙、缺乏远见的做法。以牺牲战场生存能力和超视距作战能力为交换，只能让部分纸面上的机动性和航程数据获得些许提高而让整体作战效能大幅下降，是不甚明智的。“歌剧院行动”只是个案，有其特殊性。歼－20减轻重量估计仍以第一条路为主，即降低多用途需求，专注空优，以减少对结构强度的需求。
　　因此，如果歼－20的尺寸与F－22相当，其基本空重有望比后者减少数百公斤到1吨。做出这个估计是因为F－22为多用途牺牲的重量同样很少，主武器舱只能携带轻量级小尺寸对地武器。其翼下挂点除了携带副油箱外，由于强度不能承受携带重型对地武器时所必需的一定强度的机动过载，因此“鱼叉”、“哈姆”这些三代机普遍能挂载的武器没有出现在F－22的标配武器列表中。其整体外挂对地攻击武器的能力远逊于F－15E、F／A－18E之类的双重任务战斗机。
　　F－22的重量控制得并不好。初期框架构想阶段仅有13611公斤的设计基本空重，进入全尺寸发展(EMD)第一阶段后增加到14154公斤，而实际重量更是明显超出了这个数值。重量超过预期的原因是某些关键部件经历了重新设计，而并非想象中的因增强对地功能大幅强化了结构或增设了航电(F－22的航电总重相对于上一代F―15仅有不到300公斤的提高)。但F－22的空重本身就是个谜。虽然洛克希德・马丁公司的官网给出了19700公斤的空重，但同时也给出了机高10余米令人啼笑皆非的数据，而且没有指明19700公斤是基本空重，还是某种挂载下的使用空重。相对于EMD第一阶段DTW(design to weight，设计重量)14154 公斤的基本空重需求，YF－22阶段于1992年初曾超标35％(也是唯一一个19吨级的阶段，可能装有防尾旋伞、弹仓摄像机等附加测试用设备)，但随后就下降到15％以下。即使1997年后的量产型F-22A也控制在20％左右。
　　针对以上疑点，笔者曾根据F－22TEAM网站的邮箱专门致信询问。回复称，2005年EMD阶段F－22的空重约为16400公斤。考虑到发展型与量产型之间的差异，以及1997到2001年间的空重变化，现阶段F－22基本空重的一个合理置信区间为17000～18000公斤。根据上面可能的减重分析，现在歼－20技术验证机的理想空重为16000公斤应不为过。可参考专注空优作战的歼－10和多用途的F－16C第50批次的重量差异，虽然歼－10明显长于F－16C，但空重比后者第50批次高出的幅度却没有那么明显。较长但不重，也是我国自研作战飞机的一个普遍特点。
　　值得注意的是，上面的估计都是基于一个假设，那就是歼－20的尺寸和结构设计水平与F－22相当。实际上，除了上面提到的舵机尺寸与重量问题外，还有一些事实表明笔者的预期太过理想化。歼－20虽然长度与F－22相差无几，但后者的机长中有相当一部分是尾撑和水平尾翼的长度，实际尾喷口距离水平尾翼后缘还有一段距离。也就是说，得益于小尺寸的AIM－120导弹和LAU－128伸缩挂架，F－22使用了容积较小的弹舱，更短的舱段使其布局十分紧凑。而歼－20的机长却几乎是实打实的机身长度，比F－22多出2-3米的机身隔框结构。考虑到双发重型机每米机身隔框加布线重300-400公斤，这对于减重工作将是不小的负担。但也应预料到原型机和量产机可能有较大差异，歼－20以后可能会像YF－12到F－22的改进那样缩短机身，除了减轻重量外，这样做的一个额外好处是更短的进气道能减小进气损失。
　　另一个不容忽视的问题是，F－22、F－35和F／A－18E等机型已经取消了专用减速板，改为偏转所有舵面起到减速的作用，由于省掉了舵机和动作机构，也可以节约不少重量。考虑到歼－20仍处于技术验证机阶段，未来是否也会使用这项技术以取消减速板还未可知。总之，歼－10减重面临的挑战十分艰巨，也从另一个角度说明了研发先进发动机的紧迫性。尤其是在F119性能也不断改进的今天，为了达到抗衡F－22的目的和应对日后改进型可能的增重，歼－20对先进发动机的需求会越来越高。
　　
　　气动与飞行性能
　　
　　机身　歼－20的机身与F－22类似，后体使用窄间距，而不是T-50的宽间距。这样对亚音速阻力影响不大，但可以很好地改善超音速阻力。宽体虽然有助于低速时的高攻角升力，但考虑到歼－20现在的俯视投影面积已经很大，窄体应当是很好的选择。前面提到了机身厚度的问题。实际上厚度对亚音速阻力同样影响不大。一个有趣的实验结果是，低速风洞中相对厚度较大的机翼往往有更好的升阻特性。从前视图也可以发现歼－20的前机身虽然较厚但并不宽，机身截面不见得比F－22大多少。再加上自身长细比很高，因此超音速零升阻力系数无疑是比较低的。歼－20的菱形机头锥体有助于提高高攻角稳定性，这是已经被F－22所验证的，也是比T-50和F－35的高明之处。总之，歼－20的机身设计重点改善了超音速阻力特性。
　　气动翼面　歼－20的布局非常出色，鸭翼加小展弦比三角翼可以有效提高超音速升阻比。根据《飞机总体设计》一书所述，与常规布局相比，鸭翼加三角翼布局在马赫数1.3以上的配平升阻比通常会占优，因为随着马赫数增大，鸭翼对主翼下洗的不利影响减少，而常规布局因为主翼对平尾的下洗降低，导致配平所需偏角增大，造成了较大的配平阻力。另一个原因是对于静不稳定的气动布局，随着马赫数增大气动中心后移导致静不稳定度降低，甚至变回静稳定。为了保证配平，鸭翼上偏以增加升力，而常规布局平尾下偏，减少升力。
　　常规布局的F－22为了缓解这个问题，采用了窄后体布局，并且使用扁平的二元喷口使后体的收敛程度更加彻底。超音速时通过矢量推力喷口(TVC)直接参与配平，显著减小了平尾对超音速配平的负面影响。这也是为什么EF2000在其极为重视的超音速区仍然会输给F－22。不过，同样采用TVC的歼－20仍然有自己的优势。更何况F－22的气动布局整体上仍然向亚音速妥协，使用了类似于苏－27、米格－29的42度后掠翼，而不是歼－20和T-50的47度～48度后掠翼，展弦比也高于后两者，机翼扭转进一步增大了超音速零升阻力系数。所以，虽然F－22在超音速升阻特性上的表现已经十分出色，但还是留给了歼－20赶超的空间。如果装备类似于F119那样的高性能发动机并对后体像F－22进步修形(使用TVC之后很可能会有这项工作)，歼－20可望达到比前者更高的超巡速度和超音速持续机动过载。
　　据称，歼－20最初将会采用2台WS―10“太行”发动机作为动力，这对于赶超F－22当然是不够的。但是否可以据此认为歼－20目前不具备超巡能力呢?事实上，装备F100－PW229或F110－GE129的F－15／16改进型都展示出了不开加力突破音障的能力。例如，F－16C Block50净型时在高空使用F110－GE129的军用推力就能达到1.05马赫的速度。“太行”理应具有类似的性能，超音速零升阻力系数更小的歼－20没有理由不能实现军用推力突破1马赫，而且只能更高，可能能够达到类似于EF2000那样1.2-1.3马赫的超音速巡航。这相对于F－22的1.72马赫虽然还有差距，但足以压制周边地区的第三代战斗机。
　　亚／跨音速段常规机动性能　F－22以“机头侧棱－进气口上唇－进气道侧棱”组成了绕合边条，三段构成一个连续的整体以利用绕合效应。歼－20机身布局与F－22类似并增设了鸭翼，虽然三段并不构成绕合边条，但主翼根部另有一块后掠角很大的窄边条。同时使用鸭翼加边条两套涡发生器并非首例，比如“阵风”就采用过类似的做法。和“阵风”不同的是，歼－20将边条置于鸭翼之后。尽管一般认为鸭翼的下洗并不有利于边条增升，将边条置于鸭翼之前会取得较好的效果，但歼－20的布局有自己的特殊性、从歼20的鸭翼位置来看，为了增长力臂取得更好的超音速配平特性，似乎已经脱离了近距耦合的范畴。为了弥补亚音速时对主翼有利干扰不足的缺点，采用远距耦合鸭翼的“台风”在鸭翼和主翼之间增设了导流板。笔者猜测，歼－20边条的作用与此类似，即让远距耦合鸭翼也能起到近似于近距耦合的高攻角增升减阻效果。
　　一般来说，鸭翼相对于主翼最有利的干扰位置应该是在后者的上方且无上 反，即类似歼－10或欧洲“台风”、“阵风”那样的布局。让人感到意外的是，歼－20的鸭翼与主翼基本处于同一平面，也有一定的上反，可能有兼顾隐身的折中。笔者认为，鸭翼上反用来削弱位置过低带来的不利影响，也能通过差动实现偏航控制，对非常规机动有利。
　　和以往仅偏转前缘机动襟翼的做法不同，从F／A－18、苏－27等第三代战机型号开始，部分常规布局战斗机用同时偏转前／后缘襟翼的方式优化亚音速机动时的机翼弯度，以提高升阻比，甚至参与配平。F－22在大坡度转弯时左右副翼向同侧偏转改变机翼弯度，平尾只有很小的正偏度(而非静稳定布局的负偏)，这种变弯措施尚无应用于鸭式无尾布局的经验。但从歼－20鸭翼较长的力臂来看，似乎配平所需偏角不大。笔者据此猜测，歼－20可能会成为首个应用此项技术的鸭式布局飞机。
　　歼－20总体布局给人的感觉似乎是把F－22的平尾搬到了前面。和超音速时的情况相反，对于有一定静不稳定度的布局，亚音速机动时平尾的配平载荷较轻，配平阻力较小。而且，由于鸭翼对主翼的下洗减小了机翼的实际攻角，机翼的需用攻角变大，会付出一定的阻力极曲线代价。但是这个效应比较弱，只有在高攻角(>15°)时才能体现出来，并且随着马赫数增加而逐渐减弱。F－22的发展过程中突出强调了亚音速机动配平升阻特性，减小了机翼后掠角，增大了扭转度，同时减小了机动时的需用攻角。F－22较小需用攻角和较大的升力斜率带来的好处就是相同攻角下能拉到更高的过载，这也是其瞬时机动能力超越欧洲几种三代半战机的保证，但随之而来的问题就是涡破裂较早。而鸭翼虽然对初始升力斜率影响不大，但推迟临界攻角使得歼－20的升力系数顶点不一定比F-22低。按照理想的估计，歼－20机翼面积与F－22相当而自重略轻，所以翼负荷稍低于后者。但以上推测同样包含低估重量和高估翼面积的可能，所以现在对谁的瞬时盘旋能力较高下结论还太早。如果考虑TVC引入后对低亚音速和超低速过失速机动的影响，情况会更加复杂。
　　TVC一方面可以弥补鸭式布局在低速时的配平缺陷，提供足够的低头力矩；另一方面，TVC的偏向和鸭翼的配平力方向一致，也就是说鸭式前翼战机更适合实现直接力控制。歼－20将这个特点发挥到极致，不仅仅局限于俯仰方向，通过上反鸭翼差动、全动垂尾以及日后可能会装备的全向TVC，偏航轴也有望实现直接力控制，从而做出匪夷所思且可控性高的非常规机动。
　　需要注意的是，F－22在这个领域也有自己的传统强项。由于其机身紧凑、俯仰轴转动惯量小、推重比高，且TVC偏转角度较大(20°，高于俄系TVC－贯的15°)，因此在俯仰轴的TVC侧力力矩大，过失速操纵非常灵敏，机动完成后的加速恢复也很迅猛。歼－20想在这方面赶超F－22较为困难。F－22的二元TVC不具备偏航轴操纵能力是一个缺陷，但通过发动机推力差调节和气动舵面的不对称偏转，同样拥有了相当高的偏航轴操纵性。在“落叶飘”一类的过失速机动中，F－22的偏航轴指向角速度超过120°／秒。在TVC大偏角的动作中，其俯仰轴指向角速度可以达到更高的数值，并且能够迅速改变角速度方向。
　　但如果不出意外，歼－20在偏航轴方面会有局部优势。和T-50一样，歼－20采用了全动垂尾，操纵面积大，虽然也导致动作机构的功率需求增加，但在攻角较低时舵效比F－22的方向舵更好。只是在攻角较大时，由于F－22的方向舵铰链是前倾的，而不像歼－20或T-50那样垂直于机身轴线，所以F－22可以维持较高的舵效，有可能反超歼－20。如果歼－20能综合将方向舵、鸭翼差动和TVC整合八偏航轴控制中，那么F－22反超的机会会更小。由于垂尾面积小，可能现阶段歼－20还存在方向稳定性问题，所以使用了腹鳍加以弥补。如果能如期装备全向TVC，偏航控制能力增强之后或许可以去掉腹鳍，以进一步减轻重量、改善隐身性能。
　　一般来说，由于垂尾靠近尾喷口的高压区，并且前机身脱体涡在垂尾诱导出垂直于垂尾表面指向外侧的气动力，所以机动时会损失一定的总升力，某些极端情况下的升力系数损失可超过10％。F－22为了解决这个问题，减小垂尾间距使之避开边条涡，缩短尾部并将垂尾前移，使垂尾内侧大部分处于低压吸力区，并增加了这部分的垂尾面积以充分利用低压吸力。其中、小攻角时升力损失不多，高攻角时(>40°)总升力甚至有所增加。歼－20使用了较小面积的垂尾，有利于进一步削弱垂尾外倾对高攻角升力的不利影响
　　但由于机身较长，垂尾过于前移可能会导致航向稳定性的问题，所以现阶段垂尾较为靠后。歼－20采用这样的布局相信有自己的道理，很可能我国已经在相关领域进行了足够的预研，不仅能让高攻角升力系数不减反增，而且较为后置的垂尾距离飞机质心较远，有利于提高偏航轴操纵效果。
　　总的来说，歼－20气动力设计偏重于超音速飞行性能，F－22偏重于亚音速飞行性能，在过失速机动能力方面两者则互有侧重。如果歼－20装备全向TVC，那么偏航轴的操纵优势会更大些。F－22的优势在于俯仰轴操纵更灵敏，而且能量恢复更快。这些差异也反映了中、美两国对过失速机动格斗这个前沿领域的不同理解。
　　根据传统观点，尤其是第三代战斗机之间的大量仿真格斗对抗表明，改变航迹与改变指向基本是统一的。如果想向左指向怎么办?向左转弯就行了。向左压坡度，拉杆，此时俯仰轴的操纵能力占主导地位。但随着全向TVC和全动垂尾的引入，游戏规则可能要重新洗牌：不压坡度，几乎不改变航迹，就可以直接改变指向。从俯视图看到的歼－20的尾喷口和尾锥之间预留了足够的空间，有理由认为这是为偏航TVC做的准备。虽然航迹变化率低的特点对占位和规避不利，但省掉了压坡度的时间，仅这一条就十分有吸引力。
　　
　　隐身性能
　　
　　这方面的数据比外形更加缺乏，即使等到歼－20退役也不大可能公开，所以只能就目前看到的细节进行分析。
　　歼－20外形有明显的隐身特征。无论菱形机头、鸭翼和主翼的相对平面位置、倾斜的发动机短舱侧壁，还是外倾双垂尾，都表现了歼－20对外形隐身的重视。值得注意的是，由于后体采用了窄体布局，尾喷口与进气口的位置错开，使得歼－20有可能采用s型进气道而不是T－50那样的直通式进气道。DSI进气道的鼓包对雷达波有进一步的遮挡作用，前视图也不像T-50那样能直接看到前风扇，所以歼－20的前视隐身性能有望超过T－50。
　　我们知道，为了将反射波集中在几个特定方向，F－22主翼与尾翼的前后缘分别平行。歼－20鸭翼后缘后掠而主翼后缘前掠，似乎违背了这个原则，但需注意到鸭翼后缘与另一 侧的主翼后缘是平行的。俯视图到这里好像又出现了问题：鸭翼前缘后掠角比主翼还小。不仅从隐身上说不过去，而且由于处于主翼的上洗流场中，为了避免鸭翼过早失速，通常不会使用这么小的后掠角。
　　和歼－10等以往的国产战机比起来，歼－20的表面非常平整。除了机头的测试用空速管外，看不到任何突出的天线，仅有2具备用空速管。这表明我国已经基本掌握了低可探测性天线和大气数据传感器技术，比起T-50已经进步很多。
　　现在尚无可靠证据表明歼－20拥有内置武器舱。由于现阶段动力不足，最初的原型机确实有可能未设弹仓。但无论如何，歼－20显然已经预留出了足够的空间，这也是比苏－47、米格1.44等验证机更有远见的做法。从歼－20机身的尺寸看，甚至可容下比F-22更大的弹舱。
　　目前，歼－20的尾喷管没有采用任何雷达或红外隐身措施。但侧后方的隐身性能可能并不是歼－20追求的，这方面尽力而为就好，目前还是以前视隐身为主。
　　
　　结语
　　
　　战斗机的定型是一个艰巨且缓慢的过程，从最初的技术验证机到最终的量产型号可能会发生不小的变化。参考EAP到EF2000或YF－22到F－22A的外形改动，有理由相信几年后歼－20会以不同于现在的面貌呈现在我们面前。但这并不妨碍我们对歼－20形成一些大致的印象：
　　1　气动设计优越，着重突出了超音速升阻特性和过失速操纵性；
　　2　重视超音速机动性，但在装备推比10一级的先进航空发动机之前，整体性能暂时会受发动机拖累；
　　3　重视前视隐身性能，未来可能会依靠雷达探测能力和中距空空导弹的性能优势来部分抵消F-22的隐身优势。
　　关于换装发动机带来的性能提升，笔者做出如下预测：
　　1　使用WS10发动机(推力120～130千牛级)时，亚音速常规机动性与典型三代机相当，超音速性能有一定优势，并具有较低马赫数的超巡能力，装备TVC前有较好的高攻角稳定性和可操纵性，装备TVC后，尤其是全向TVC后有极佳的过失速指向性。
　　2　换装117s一类的增强性能发动机(推力140～150千牛级)后，能够进一步缩小与F－22在常规机动性方面的差距，超音速性能差距最小，并且在非常规机动能力方面有自己的局部优势。凭借较好的前视隐身性能和优越的飞行性能，歼－20的空战交换比相对于典型三代机有压倒性优势，遇到F－22也可一战，如果面对T-50，获胜的把握还更大些。
　　3　换装新一代高性能涡扇发动机并对后体进行相应的修形后，歼－20的超巡速度和超音速持续机动过载等性能与F－22相当甚至略优，亚音速瞬时机动性很好，机动时的角速度衰减率和能量损失率可能高于F－22。但当速度低到一定程度就可以启用TVC进行过失速机动，所以这不一定是件坏事。低速过失速机动与F－22在偏航轴和俯仰轴互有优劣，而先进发动机和飞控的改进使优势区可望进一步扩大。