升力體不是萬金油

大水

眾所周知，美國F-15戰(zhàn)斗機是世界三代機中的王牌，它體重輕、設備強、發(fā)動機推力大、加速性和機動性好，在迄今為止的空戰(zhàn)中無一失利。蘇聯(lián)/俄羅斯的蘇-27戰(zhàn)斗機就是為了對抗F-15而設計的。二者的加速性機動性基本同一水平。但蘇-27內油幾乎多一倍，所以航程比F-15遠80%～90%。蘇-27的掛點多達12個，掛點之間距離比較遠，氣動干擾比較小、阻力比較低，便于掛載多種多樣的重型武器。從這個角度上來說，蘇-27設計比F-15優(yōu)秀很多，這在很大程度上源于蘇-27所采用的升力體設計。

然而蘇-27的升力體設計很大程度上是不得已而為之。雖然它取得了成功，但同樣的設計思路延續(xù)到蘇-57（也就是T-50）上，并沒有帶來成功，反而導致了徹底的失敗。

蘇-27升力體設計的成功

眾所周知，戰(zhàn)斗機是一種對抗性極強的兵器，需要在海平面到20千米高空，300千米每小時到2500千米每小時的速度，從零下70℃到零上50度70℃，白天、黑夜、晴天、雨天、大霧全天候飛行。高強度的對抗需要戰(zhàn)斗機具有爬升快、加速快，盤旋好、掉頭快，大迎角性能好，機體輕、結構強等特點，能做9g以上的高機動。所以特別講究重量輕、升力大、阻力小、推重比大。

飛機空重由結構、發(fā)動機、設備三部分構成，在減重設計時需要從三個方面同時著手。飛機機體材料的要求是：高強度、低密度、壽命長、耐腐蝕、容易加工。三代機一般采用鋁合金、鈦合金外加鋼合金，外加少量的復合材料。前蘇聯(lián)在研制蘇-27戰(zhàn)斗機的時候，在材料指標比美國落后不少。F-15戰(zhàn)斗機采用了20%的鈦合金，包括整個后機身、中機身、機翼大梁。而蘇-27僅僅在后機身框上采用了一些鈦合金，在中機身下壁板采用了鈦合金焊接蒙皮。

飛機設備重量的主要來源于火控雷達、顯示控制設備，以及飛控設備、導航通信設備等。其中最重、最復雜的就是雷達。蘇聯(lián)＼俄羅斯的電子工業(yè)一直嚴重落后，同類設備重量都是美國的5倍以上，其它指標也落后很多。

同樣的落后也存在于航空發(fā)動機上。蘇聯(lián)發(fā)動機總是不能在像美國貨那樣在推力、重量、壽命、可靠性之間取得平衡，只能考慮突出推力和重量性能，犧牲壽命和可靠性。說句題外話，法國人的做法則相反，在材料工藝落后的情況下優(yōu)先保證發(fā)動機壽命和可靠性，犧牲了推力和重量指標。這也是法國飛機性能在同時代機型中偏低的主要原因。

F-15在1969年公開后，蘇聯(lián)開始設法研制對抗型號。最簡單直接的辦法就是按照F-15的氣動進行山寨，米高揚設計局和蘇霍伊設計局都是如此。但是經(jīng)過計算，由于蘇聯(lián)材料工藝落后，發(fā)動機油耗高、重量大、推力小，全機航電設備幾乎比F-15的重2噸。即使增加邊條和前緣襟翼來增強機動性，性能也僅僅比美國上一代戰(zhàn)斗機F-4好一點而已，對F-15毫無優(yōu)勢。

既然此路不通，蘇聯(lián)開始考慮在T-4轟炸機和圖-144飛機上有所實踐的升力體設計。傳統(tǒng)飛機機身對全機的升力貢獻只有幾個百分點。而升力體飛機機身經(jīng)過特殊設計，可以提供全機30%左右的升力。也就是說，使用升力體設計的飛機可以在重量大30%的情況下，飛行性能與常規(guī)設計飛機基本持平。

起初，蘇霍伊設計局對升力體的看法很簡單，采用了類似圖-144超音速客機的S型機翼前緣，2臺發(fā)動機吊艙的間距比較大。為了盡量提高航程而增加展弦比，得到了一個4000千米航程性能的布局。

同時他們也注意到，同樣是升力體設計的美國海軍F-14戰(zhàn)斗機。這個型號由于采用了變后掠翼和復雜的航電設備，機體特別笨重。但采用了升力體設計后，它居然具備了超乎想象的升阻比特性，高速性能很好，內油很少但是航程很遠。于是蘇霍伊設計局認為，可以在F-14戰(zhàn)斗機升力體的基礎上繼續(xù)推進，形成一種更高性能的飛機。實際上，從氣動的角度來說，蘇-27在某種程度上可以認為是一種40度左右后掠角固定機翼的F-14。

最終，蘇-27氣動構型基本就定為：大型機頭裝高性能雷達；機頭兩側采用S型尖銳邊條，后掠角82度左右，邊條后接后掠角40度、展弦比為4的機翼。機翼前緣有自動偏轉的襟翼，2臺發(fā)動機吊艙分開掛在機翼之下。而雙垂尾在發(fā)動機吊艙之外布置，便于大迎角機動，避免普通單垂尾飛機機頭和機身的遮擋造成的舵效降低問題。

蘇霍伊設計局認為，這個構型的基本性能比F-15高出20%左右，獲得了蘇聯(lián)軍隊的認可。米格設計局也借用了蘇霍伊設計局的構思，在后來的米格-29項目中利用了升力體思路優(yōu)化了設計。并提出了類似于蘇-27的機身方案。

蘇霍伊設計局最初給出的指標還是很科學的：航電設備重量1.2噸，發(fā)動機推力100千牛，正常起飛重量20噸。在這種情況下可以做到和F-15抗衡。

隨著項目不斷推進，航電設備重量從原來的1.2噸變成2.5噸，幾乎翻了一番。在這種情況下，設計師只好提高發(fā)動機推力，將每臺發(fā)動機推力提高到125千牛。盡管如此，不斷上漲的航電設備重量已經(jīng)把升力體方案的優(yōu)勢一點點吞沒，性能優(yōu)勢遠遠沒有原先設想的那么大了。

在研制過程中，由于升力體方案表現(xiàn)出極其明顯的優(yōu)勢，蘇霍伊設計局還考慮了精簡型升力體方案，就是將2個發(fā)動機并攏。這種方案保留了升力體的升阻比優(yōu)勢，還降低了結構重量。而且兩臺發(fā)動機并攏后，飛機圍繞縱軸的轉動慣量大幅度減小，滾轉特性也變好。發(fā)動機間距變小后，一旦單發(fā)失效的配平力矩也變小，垂尾尺寸也可以相應減小。實際上，這個精簡版設計與美國FX戰(zhàn)斗機項目中被F-15方案擊敗的諾斯洛普公司方案有異曲同工之妙。

如果不過度追求航程，并且考慮外掛副油箱戰(zhàn)斗，精簡版的風險比實際的蘇-27小，而且更輕、發(fā)動機要求推力更低，機動性則基本持平。然而，雙發(fā)間距縮小會導致阻力不斷增加，升阻比優(yōu)勢不斷縮小，亞音速和超音速性能都受影響，減重優(yōu)點被增大的阻力嚴重抵消。

如果反其道而行之，增加發(fā)動機間距，會有什么結果呢？蘇霍伊設計局曾經(jīng)測算過3米間距的方案，發(fā)現(xiàn)這個方案的升阻比不理想，單發(fā)停車配平能力要求更高，結構重量也要增加。因此并不可取。

事實上，兩個發(fā)動機短艙之間留出一個1米左右寬的氣流通道是比較合適的。這個從機頭到機身的氣流通道可以使飛機的氣動阻力大幅度減小，增加航程。這也成了蘇霍伊設計局的法寶。

總體布局確定之后，為了充分利用升力體的優(yōu)勢、克服航電設備重量上漲帶來的不利影響，蘇霍伊設計局把蘇-27幾乎每個縱向剖面都設計成上凸下平的形狀，包括機頭、進氣道，甚至發(fā)動機吊艙也是如此。為此不惜讓發(fā)動機噴管直接向下彎曲。

蘇霍伊設計局的努力得到了回報。F-15航電設備總質量只有600千克，而蘇-27航電達到2250千克，其中N001雷達就占了980千克。F-15內油只有5噸，蘇-27卻達到了10噸。但由于蘇-27采用升力體布局，超高的升阻比特性克服了低劣航空電子設備帶來的劣勢，最終機動性指標與F-15相差不大。F-15雖然更加緊湊、機翼結實，但是細節(jié)氣動設計比較差。F-15升力系統(tǒng)沒有采用尖銳邊條翼而是采用了圓鈍的粗大整流罩，阻力大、升力作用小。而且，F(xiàn)-15為了簡化機翼設計，取消了前緣襟翼設計，機翼前緣很粗、高速阻力大，實際的大迎角特性不如加前緣襟翼的設計。為了簡化飛機設計難度，早期F-15取消了原定的電傳飛控系統(tǒng)，機動性不如蘇-27和F-16。而且蘇-27機體大、掛點多，改進潛力也比F-15大很多。就這樣，蘇-27得到了全世界的贊賞和客戶的青睞。在很長時間里，它也是唯一能與F-15相抗衡的戰(zhàn)斗機。

照貓畫虎的蘇57必然失敗

蘇聯(lián)/俄羅斯雖然通過采用升力體方案、精心設計氣動布局和總體方案，使蘇-27在一定程度上壓倒了F-15。但這樣的奇跡沒有延續(xù)下去。

到了90年代，美國正式啟動先進戰(zhàn)術戰(zhàn)斗機計劃，F(xiàn)-22勝出。這是自F-117攻擊機之后，美國戰(zhàn)術飛機第二次沖擊隱身科技的大門，大獲成功。隨后的10多年，F(xiàn)-22在隱身、超音速巡航、高機動、綜合航電上得到了無與倫比的成功，在亞音速格斗和超音速機動上都取得了相對于三代機的絕對優(yōu)勢。就機動性而言，任何一款三代機都遠遠不是F-22的對手。

俄羅斯決心研制一款新的型號來對抗F-22。由于米高揚設計局在米格-29的銷售上不理想，設計局缺乏經(jīng)濟實力開發(fā)新的隱身戰(zhàn)斗機，俄羅斯政府挑選了蘇霍伊設計局承擔下一代戰(zhàn)斗機的任務。

由于經(jīng)濟條件的嚴重限制和蘇聯(lián)解體帶來的工業(yè)基礎大面積崩潰，俄羅斯的戰(zhàn)斗機研發(fā)能力受到了極大的消弱。蘇霍伊設計局曾經(jīng)提出了十幾款隱身戰(zhàn)斗機方案，很多方案和F-22類似，突出隱身和超音速巡航。然而，蘇霍伊設計局最終選擇了一種匪夷所思的設計，這就是后來的T-50。

這個型號一出現(xiàn)，就得到了很多負面的評價，比如：“機頭拍扁的蘇-27”、“發(fā)動機間隔填平一半的蘇-27”、“F-22的退化版”，等等。

這并不說明蘇霍伊設計局的設計能力退化了。相反，這是蘇霍伊設計局在各種限制條件下所能拿出來的最現(xiàn)實方案。國力嚴重衰退的俄羅斯人無法承擔研制F-22那樣的龐大投入，包括新的實驗室、材料、設計軟件都對當時的俄羅斯而言難以實現(xiàn)，特別是無力研制適應F-22布局的發(fā)動機。以當時俄羅斯的發(fā)動機性能，如果采用類似F-22的S型進氣道，會導致很大的推力損失。如再采用二元矢量推力，增重會達到無法接受的程度。蘇-27曾經(jīng)改用二元推力矢量發(fā)動機進行飛行試驗，結論是飛機增重太多、發(fā)動機推力下降嚴重、性能大幅度下滑。實際上，F(xiàn)-22的布局同樣存在著著亞音速升阻比不高、航程不突出的問題。但美國空軍對航程要求不如俄羅斯高，F(xiàn)-22的這個缺點可以接受。俄羅斯因為領土遼闊，戰(zhàn)斗機必須有大航程，這樣才能使得戰(zhàn)術飛機維持足夠廣的作戰(zhàn)空域，同時可以有效的優(yōu)化裝備的采購費用結構。

為了在現(xiàn)有條件下滿足俄羅斯的國情要求，蘇霍伊設計局被迫采用了我們所看到的蘇-57進氣道布局：沿用蘇-27的直通進氣口斜板外壓方式，發(fā)動機進氣口風扇直接露出來。這種設計具有最高的進氣效率和高速性能，而且設計制造簡單。此外，將發(fā)動機中間的空間向下填平0.5米左右做彈艙，保留原有的蘇-27升力體框架。這樣的設計可以沿用蘇-27的經(jīng)驗，有最高的升阻比。

但省事總會帶來另外的麻煩。蘇-57的彈艙被發(fā)動機吊艙緊緊左右夾住，導彈投射時會面臨很多氣動干擾問題，尤其是超音速狀態(tài)下。而從蘇-57的前后彈艙門結構來分析，兩個彈艙內至少有兩枚導彈。這樣，導彈投射時距離發(fā)動機吊艙比蘇-27近得多。而且由于彈艙深度比較小，無法采用大行程的伸縮式投彈掛架。彈艙的設計可能一直沒有完善，估計這也是蘇-57一直不打開彈艙展示的原因之一。而美國的F-22和中國殲20戰(zhàn)斗機，都采用類似的中機身腹部并列大型彈艙設計，兩個彈艙總寬度2米左右，可以很容易地布置6枚中小型導彈或者4枚大型導彈。

蘇-57身上出現(xiàn)了出了機頭大體外形和平尾邊緣對齊這樣的粗糙設計，對四代機來說是不合格的。而且機身接縫基本沒有采用鋸齒設計，大部分接縫還是垂直于機身軸線的非隱身設計。最致命的問題在進氣道可動斜板上，它所在位置必然是矩形的。矩形管道對雷達反射來說是一個很強的共振腔體，可以將入射雷達波的大部分反射回去。這是隱身飛機設計的一大忌諱，卻出現(xiàn)在了蘇-57身上。

俄羅斯之所以在蘇-57隱身設計上遭到失敗，與俄羅斯雷達專家給蘇霍伊設計局提供了錯誤數(shù)據(jù)是有關的。俄羅斯有關方面過于低估了F-117和F-22的隱身性能，完全失去了研制蘇-27時的新技術敏感性。俄方對F-117、F-22的雷達反射截面積推算結果，比美國人公布的數(shù)據(jù)高10倍以上。如果說海灣戰(zhàn)爭時F-117成功突破蘇制雷達、導彈防護網(wǎng)，使俄羅斯對隱身技術有所心動的話，1999年F-117遭俄羅斯SA3導彈擊落，使俄羅斯雷達專家更堅信了自己的看法：美國人完全是在吹牛。俄羅斯專家相信，只要在現(xiàn)有雷達基礎上做個簡單升級，比如把雷達功率加倍，即可輕松恢復三代機時代的技術平衡。他們也正是這么做的，蘇-57使用了大功率的有源相控陣雷達，號稱能發(fā)現(xiàn)400千米之外的三代戰(zhàn)斗機，100千米-120千米外的F-22。