淺析另類“戰(zhàn)隼”之Ｆ－１６ＤＳＩ技術(shù)驗(yàn)證機(jī)

李　浩

在F-16戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)展過程中，有一種型號不得不提。雖然它沒有投產(chǎn)，只是一種驗(yàn)證機(jī)，但是它驗(yàn)證的Divertless SupersonicIntakes(DSI)“無附面層隔道超聲速進(jìn)氣道”技術(shù)，最后在F-35JSF聯(lián)合戰(zhàn)斗機(jī)上得以采用。在美國宣布減產(chǎn)甚至停產(chǎn)F-22戰(zhàn)斗機(jī)之際，F(xiàn)-35的訂購數(shù)量卻直線上升?？梢哉fF-16DSI驗(yàn)證機(jī)為DSI技術(shù)在F-35的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。雖然F-16DSI驗(yàn)證機(jī)的出現(xiàn)的時(shí)間很短暫，但是它在戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)氣道的發(fā)展史上做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。下面就讓我們認(rèn)識一下F-16DSI驗(yàn)證機(jī)。

研制背景

F-16DSI驗(yàn)證機(jī)是伴隨著F-35戰(zhàn)斗機(jī)一起發(fā)展起來的。作為第三代戰(zhàn)斗機(jī)，F(xiàn)－16采用固定式皮托管進(jìn)氣道。在第四代戰(zhàn)斗機(jī)還沒有問世之前，人們普遍把機(jī)動(dòng)性和大推力作為三代機(jī)的重要設(shè)計(jì)特點(diǎn)，空優(yōu)飛機(jī)一直是第三代戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)展方向。因此具有隱身設(shè)計(jì)的DSI進(jìn)氣道沒有得到當(dāng)時(shí)的認(rèn)可，再加上當(dāng)時(shí)的計(jì)算流體力學(xué)CFD技術(shù)沒有現(xiàn)在這樣成熟，因此DSI進(jìn)氣道沒有得到廣泛的應(yīng)用。

洛克希德·馬丁公司的工程師早在上世紀(jì)90年代早期就開始研究傳統(tǒng)超聲速進(jìn)氣道概念的替代方案。我們知道無論在亞聲速還是超聲速，在機(jī)身表面和壓縮斜面上都會(huì)形成這樣一個(gè)空氣層，也就是所謂的“附面層”。它實(shí)際上是機(jī)身表面(也就是空氣粘滯表面)和自由氣流(此處氣流處于自由流動(dòng)狀態(tài))之間的一個(gè)區(qū)城激波和附面層的交互作用會(huì)增大紊流進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)平面處無益的氣流畸變。如果激波／附面層交互作用增強(qiáng)到一定程度，進(jìn)氣道將變得不穩(wěn)定，而發(fā)動(dòng)機(jī)也會(huì)失速。附面層的厚度隨前機(jī)身長度(也就是機(jī)頭到進(jìn)氣口這段距離)增大而增大。超聲速飛機(jī)的設(shè)計(jì)人員處理附面層現(xiàn)象的傳統(tǒng)方法是在附面層到達(dá)進(jìn)氣道喉部之前改變附面層流向，同時(shí)將進(jìn)氣道置于遠(yuǎn)離附面層的自由流中——這里的氣流不受附面層現(xiàn)象的影響。傳統(tǒng)進(jìn)氣道的復(fù)雜機(jī)構(gòu)以及附面層隔離裝置，對于飛機(jī)的氣動(dòng)性能和隱身能力都有影響，并且這樣的進(jìn)氣道設(shè)計(jì)增加了飛機(jī)的操作成本和費(fèi)用。通過取消復(fù)雜部件，每架飛機(jī)可以節(jié)省50萬美元的費(fèi)用，效益相當(dāng)明顯。另外，DSI進(jìn)氣道是針對第四代隱身戰(zhàn)斗機(jī)的隱身需求而設(shè)計(jì)的一種在性能上可以與三代機(jī)相媲美而特別注重隱身性能設(shè)計(jì)的先進(jìn)進(jìn)氣道。洛-馬公司試圖取消和附面層控制有關(guān)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)：附面層隔離板、放氣系統(tǒng)、旁通系統(tǒng)。通過取消這些機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)人員可以從飛機(jī)上減輕大約150千克的重量。最后的研究結(jié)果就是如今的DSI，或叫做蚌式進(jìn)氣道或鼓包式進(jìn)氣道。

DSI技術(shù)初探

DSI是無附面層隔道超聲速進(jìn)氣道的英文簡稱，由兩部分組成：鼓包和前掠式進(jìn)氣道。附面層是指空氣流過飛機(jī)時(shí)，貼近飛機(jī)表面、氣流速度由層外主流速度逐漸降低為零的那一層空氣流動(dòng)層，速度和壓力極低。附面層進(jìn)入進(jìn)氣道后，與激波作用會(huì)導(dǎo)致進(jìn)氣道內(nèi)氣流紊亂，甚至增強(qiáng)到使進(jìn)氣道不穩(wěn)定直至發(fā)動(dòng)機(jī)失速。所以，現(xiàn)在超聲速戰(zhàn)斗機(jī)都設(shè)計(jì)有附面層隔道，吹除附面層。而美國最先進(jìn)的F-22“猛禽”戰(zhàn)斗機(jī)放棄使用DSI進(jìn)氣道，一個(gè)重要的原因就是考慮到飛機(jī)超聲速巡航時(shí)，DSI進(jìn)氣道沒有固定式進(jìn)氣道更能符合飛機(jī)的超聲速巡航要求。DSI進(jìn)氣道，它采用一個(gè)固定的鼓包來模擬以前進(jìn)氣道中的一、二級可調(diào)斜板，并能夠達(dá)到對氣流的壓縮，以及簡化結(jié)構(gòu)、隱形的目的。DSI進(jìn)氣道與常規(guī)進(jìn)氣道相比，有三個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：一是采用“錐形流”乘波設(shè)計(jì)，總壓恢復(fù)較高；二是減小了飛機(jī)迎風(fēng)面的阻力，提高了飛機(jī)的隱形性能，三是不設(shè)計(jì)輔助進(jìn)氣門和放氣門，取消附面層隔道后飛機(jī)可以減重?cái)?shù)百千克，大大減輕了飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量?？傮w來看，DSI進(jìn)氣道具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、阻力小、隱形等特點(diǎn)。而且DSI對速度適應(yīng)范圍很廣，我們國家的FCI“梟龍”戰(zhàn)斗機(jī)采用DSI后甚至可以取消進(jìn)氣道后的放氣門，對減輕飛機(jī)重量，提高戰(zhàn)術(shù)性能有極大好處。洛·馬公司為設(shè)計(jì)F-35，對一架F-16改裝了DSI進(jìn)氣道。試驗(yàn)結(jié)果表明，在1馬赫下，DSI比F16的皮托管進(jìn)氣道略有優(yōu)勢，超聲速情況下，與之相當(dāng)。然而DSI有眾多優(yōu)點(diǎn)值得我們?nèi)パ兄七@種進(jìn)氣道的同時(shí)，我們也發(fā)現(xiàn)該進(jìn)氣道的一些缺點(diǎn)。目前主要集中在兩點(diǎn)：一是前面提到的超聲速性能；二是大迎角性能。如果DSI進(jìn)氣道要提高在這些方面的性能，可能還需要進(jìn)行更大的改進(jìn)和設(shè)計(jì)。

驗(yàn)證機(jī)試飛實(shí)驗(yàn)概況

在DSI被洛·馬JSF設(shè)計(jì)師采用的同時(shí)，設(shè)計(jì)師就明白它會(huì)被認(rèn)為比F-22的后掠式進(jìn)氣道具有更高的風(fēng)險(xiǎn)，為此他們經(jīng)由當(dāng)時(shí)的麥道公司改裝了1架F-16進(jìn)行DSI驗(yàn)證來降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。F-16的模塊化進(jìn)氣道設(shè)計(jì)使得它可以裝上DSI模塊而無需對前機(jī)身和中機(jī)身進(jìn)行重大改造。根據(jù)現(xiàn)有的F-16進(jìn)氣道設(shè)計(jì)，新的進(jìn)氣道模塊將成為前機(jī)身的組成部分，從其前緣開始直到前機(jī)身與中機(jī)身接合部(機(jī)身站位243處)處和原進(jìn)氣道融合。壓縮面被置于前機(jī)身座艙下方，不會(huì)影響前機(jī)身其它部分或舭線。擴(kuò)壓段前部進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，在新的進(jìn)氣口和現(xiàn)有擴(kuò)壓段(機(jī)身站位243處之后部分)之間形成一個(gè)過渡。F-16DSI是在工作站上利用三維模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，其進(jìn)氣道則利用了CFD的成果，采用了與JSF相同的設(shè)計(jì)方案。進(jìn)氣道模塊在洛·馬的福特·沃斯航空工廠制造，安裝在1架生產(chǎn)型F-16上，并在該地進(jìn)行了試飛。當(dāng)DSI安裝在1架Block 30批次的F-16上進(jìn)行了高度成功的驗(yàn)證試飛時(shí)，它才真正從概念成為了現(xiàn)實(shí)。試飛程序包括12次試飛，在1996年12月的9天內(nèi)完成。首次試飛重在確定飛行包線和功能檢測。其它的試飛則重在驗(yàn)證進(jìn)氣道性能特點(diǎn)，包括在水平和機(jī)動(dòng)飛行中快速移動(dòng)油門位置以確定進(jìn)氣道和發(fā)動(dòng)機(jī)之間的相容性。飛行試驗(yàn)覆蓋了F-16的整個(gè)飛行包線，并達(dá)到了最大速度M2.0。改裝機(jī)的飛行品質(zhì)在所有的迎角和側(cè)滑角條件下，都非常接近生產(chǎn)型F-16。洛·馬試飛員進(jìn)行了2次飛行中發(fā)動(dòng)機(jī)重新啟動(dòng)和164次加力點(diǎn)火，沒有發(fā)生故障。其中52次加力點(diǎn)火是在高難度機(jī)動(dòng)中進(jìn)行的。在整個(gè)試飛中沒有發(fā)生發(fā)動(dòng)機(jī)失速和異?，F(xiàn)象。新的進(jìn)氣道顯示其亞聲速性能特別是剩余功率方面略優(yōu)于生產(chǎn)型進(jìn)氣道，證明取消附面層隔離裝置對整個(gè)系統(tǒng)是有益的。試飛員表示，軍用推力狀態(tài)和推力特性和安裝通用電氣F110-GE-129發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)型F-16非常相似?？紤]到整個(gè)試飛計(jì)劃的目的是驗(yàn)證這種先進(jìn)進(jìn)氣道技術(shù)的生命力，這個(gè)結(jié)果是非常令人滿意的。F-16的試飛驗(yàn)證了進(jìn)氣道的氣動(dòng)性能，而洛·馬的JSF原型機(jī)X-35也對此進(jìn)行了驗(yàn)證試飛。結(jié)果表明，根據(jù)CFD分析做出的性能分析和進(jìn)氣道氣流穩(wěn)定性預(yù)測與現(xiàn)實(shí)世界中的

情況是吻合的。

短暫的生命

生命短暫的F－16DSI驗(yàn)證機(jī)在驗(yàn)證了DSI進(jìn)氣道技術(shù)之后就隕落了，是那么的悄無聲息。在與F－16系列戰(zhàn)斗機(jī)的飛行性能相比較后，可以發(fā)現(xiàn)DSI驗(yàn)證機(jī)基本上具有常規(guī)進(jìn)氣道F－16的性能，尤其是可以降低飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量以及提高飛機(jī)的隱身性能等。但是DSI技術(shù)限制了飛行速度，對機(jī)動(dòng)性有一定影響。常規(guī)進(jìn)氣道設(shè)計(jì)重點(diǎn)是滿足飛機(jī)主要的飛行性能要求及特征，相應(yīng)就犧牲了其他狀態(tài)下的一些品質(zhì)。三代機(jī)中一些飛機(jī)部分優(yōu)化了進(jìn)氣道與飛行性能之間的關(guān)系。而DSI技術(shù)的出現(xiàn)，是非線性系統(tǒng)線性化的過程，以此實(shí)現(xiàn)飛行狀態(tài)與進(jìn)氣道之間的相互協(xié)調(diào)，提高了飛機(jī)在多種情況下的適應(yīng)性?？梢哉fDSI技術(shù)是航空發(fā)展過程中的一次大改進(jìn)，但不是一種航空領(lǐng)域劃時(shí)代的技術(shù)革命。

從20世紀(jì)70年代F-16開始裝備部隊(duì)開始，F(xiàn)-16已經(jīng)走過了幾十年的風(fēng)風(fēng)雨雨。F-16“戰(zhàn)隼”戰(zhàn)斗機(jī)是美國外銷戰(zhàn)斗機(jī)中銷量最大的戰(zhàn)斗機(jī)，是世界上最優(yōu)秀的單發(fā)戰(zhàn)斗機(jī)。目前F-16的發(fā)展型號主要包括：F-16A／B／CJD／N等，分單雙座。目前服役的總數(shù)已經(jīng)超過了2240架，并有繼續(xù)增加的趨勢。F-16DSI只是在1996年才開始作為一種驗(yàn)證機(jī)出現(xiàn)，在當(dāng)時(shí)的情況下，世界上主要國家對這種飛機(jī)缺乏了解，當(dāng)時(shí)的三代機(jī)并不把飛機(jī)的隱身性能作為設(shè)計(jì)重點(diǎn)，購買具有第四代戰(zhàn)斗機(jī)性能的三代改型，在當(dāng)時(shí)具有相當(dāng)大的風(fēng)險(xiǎn)。而美國方面也不會(huì)在F-16的各項(xiàng)技術(shù)都分非常成熟之際，冒然去采購一種不為大家所認(rèn)可的一種驗(yàn)證型機(jī)。這使得F-16DSI戰(zhàn)斗機(jī)沒有快速發(fā)展起來。DSI技術(shù)也有其自身的缺點(diǎn)，例如飛機(jī)在改善隱身性能的同時(shí)，卻要付出超聲速總壓恢復(fù)系數(shù)小的代價(jià)，這對第三代戰(zhàn)斗機(jī)來說，沒有更多的優(yōu)勢存在，其超聲速性能大打折扣。另外一方面，美國要發(fā)展隱身戰(zhàn)斗機(jī)，對其各項(xiàng)指標(biāo)都做出了具體的詳細(xì)說明。4S技術(shù)將是F-22、F-35這樣的飛機(jī)所必須具有的性能，在F-16戰(zhàn)斗機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級改造出滿足美軍需要的第四代先進(jìn)隱身戰(zhàn)斗機(jī)，可能性很小。在這種情形下，F(xiàn)-16DSI很難量產(chǎn)。而即使作為一種過渡產(chǎn)品，美國也不會(huì)大力去發(fā)展。因?yàn)樵诋?dāng)時(shí)，美國已經(jīng)開始著手大力研制第四代戰(zhàn)斗機(jī)了，F(xiàn)-16DSI驗(yàn)證機(jī)的生命力如此短暫也就不難理解了。

借鑒意義

縱觀當(dāng)今全球戰(zhàn)斗機(jī)，到目前為止使用DSI進(jìn)氣道技術(shù)的戰(zhàn)斗機(jī)只有F-35、JF-17、F-16DSI驗(yàn)證機(jī)以及網(wǎng)上流傳的殲－10B了。而DSI技術(shù)在F-16上成功驗(yàn)證之后，也加快了F-35“閃電”Ⅱ發(fā)展的步伐。目前F-35“閃電”Ⅱ收到了來自世界范圍內(nèi)的大量訂單，計(jì)劃的預(yù)產(chǎn)量將超過2400架?？梢哉f，DSI技術(shù)也是F-35得以有如此巨大客戶的一個(gè)重要條件，畢竟美軍方對F-35的各項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用以及性能指標(biāo)都是非常滿意的。

我們國家的出口型“梟龍”戰(zhàn)斗機(jī)的進(jìn)氣道設(shè)計(jì)，也應(yīng)用了DSI技術(shù)?？陀^地說，“梟龍”性能上不如F－16，但是價(jià)格便宜很多。如果“梟龍”能在不增加費(fèi)用的情況下，提高性能，從而提升性價(jià)比，這就會(huì)大大提高它的競爭力。DSI成了最好的選擇，它可降低費(fèi)用，可提高亞聲速范圍內(nèi)的性能。至于超聲速，“梟龍”設(shè)計(jì)本身并不追求高超聲速性能。所以巴基斯坦空軍對“梟龍”戰(zhàn)斗機(jī)還是比較滿意的。而網(wǎng)上盛傳的，中國的殲－10B也將采用DSI進(jìn)氣道技術(shù)。或許隨著技術(shù)的進(jìn)步，第三代戰(zhàn)斗機(jī)在應(yīng)用DSI進(jìn)氣道技術(shù)的同時(shí)，對飛機(jī)其他各項(xiàng)性能的指標(biāo)也都能夠保證，使之成為真正意義上的接近第四代戰(zhàn)斗機(jī)的3++代戰(zhàn)斗機(jī)。然而事物都有兩面性，DSI技術(shù)并沒有那么先進(jìn)。如果技術(shù)先進(jìn)，美國人可以很容易地為其F－16裝上早已設(shè)計(jì)好的DSI，因?yàn)镕－16的進(jìn)氣道本來就是模塊化設(shè)計(jì)的。DSI的技術(shù)對法國、俄羅斯等國家也應(yīng)該不是高不可攀的技術(shù)。“陣風(fēng)”之所以沒用DSI可能也是因?yàn)橐紤]超聲速性能。DSI的鼓包和前掠式進(jìn)氣道的外形設(shè)計(jì)對性能影響很大，這也降低了DSI技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用。F－35的DSI在設(shè)計(jì)中就多次修改，以提高性能。然而究竟DSI技術(shù)會(huì)在今后會(huì)發(fā)揮多大的作用，仍然需要時(shí)間去檢驗(yàn)。

責(zé)任編輯：偉翼