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日本心神有点二:两台发动机推力不及一台WS-10B


来源:凤凰军事

东鹏昨日初梦醒,漫挑重帘看“心神” ——从心神首飞谈日本四代机的五大看点 2016年4月22日上午,日本首架自主研制的“心神”隐

东鹏昨日初梦醒,漫挑重帘看“心神”

——从心神首飞谈日本四代机的五大看点

凤凰军事特约作者:兵器迷的天空

2016年4月22日上午,日本首架自主研制的“心神”隐形试验机,代号X-2(以下简称X-2),编号001,在爱知县名古屋机场起飞。首飞约25分钟后,在日本航空自卫队岐阜基地着陆。

X2试验机首飞

2000年启动预研的X-2,原名ATD-X,是Advanced Technological Demonstrator-X Project。 的缩写,意为先进技术验证机项目X。是日本第四代战斗机的核心探索性项目。今天,就让我们来看看,世界第四个四代机研制国家的首飞机型,有什么看点。

看点一、气动设计的隐身性

X-2采用菱形机头,进气道外侧内倾,梯形机翼、外倾垂尾。进气道、机翼前缘、水平尾翼前后缘设计成两组相互平行的线条,这符合飞机几何隐形设计中的边缘平行原则——“edge alignment”。 因为入射雷达波在飞机表面爬行,爬行波遇到飞机边缘的几何不连续处,就会向外辐射电磁波,即边缘散射。这增大了飞机的雷达反射面积RCS,形成RCS峰值方向。如果各组翼面的边缘平行,雷达波的反射方向就很少(最少的钻石型设计只有4个),反射范围很窄,有利于隐形控制。

特别的,X-2没有腹鳍,这会进一步减少RCS提高隐身性。仅就这一点而言,比较双腹鳍的J20要好。当然,X-2的垂尾按比例看,似乎比J20要大,所以总体上X-2也未必占优。况且,J20采用双腹鳍设计的初衷,一方面,是在超音速飞行时能够增大航向稳定性;另一方面,在大迎角机动飞行时,垂尾被主翼的气流遮蔽,操纵效用下降。而处于“干净”的下洗气流流场中的腹鳍,能够有效弥补垂尾的不足,提高航向稳定性,防止飞机侧滑而进入尾旋,从而保待了大迎角下的机动能力和操纵品质。所以,X-2的大迎角机动性未必能胜过J20。

看细节,X-2也有几个隐身设计的缺陷:

1 进气道与机身

首先,进气道内侧与机身之间有明显的缝隙,这对隐身是很不利的设计

2 进气道布局

X-2的进气道,采用固定唇口,整体呈近似菱形,靠近机身是圆角,靠近外侧偏锐角,进气口内道向上弯曲到达发动机,避免雷达直接照射压气机叶片形成镜面反射。但这样的设计进气气流量不大,对超音速和大迎角的适应性稍弱。对比之下,J20采用的DSI进气道,无附面层隔道,无放气旁路系统,无机械运动部件,既可以减少RCS,也有利于改善跨音速和中低速性能。因此从总体上,X-2进气道的其隐身效果和进气性能比J20并不占优。

3 座舱位置

从图上初步判断,X-2的机头高耸,比J20偏高。这也许是因为X-2是双座的原因,为了保证后座视野提高了座舱位置,但对隐身就不利了。

总体而言,X-2的气动设计在隐身上中规中矩,没有大的突破,与J20相比没有足够的亮点。

看点二、动力

在四代机的4S中,超机动性和超音速巡航都要靠发动机,因此我们来看看X-2的推力系统:2台XF5-1发动机。

XF-51涡扇发动机,三级风扇,六级压气机,单级高低压涡轮。重量622公斤,加力推力超过5000公斤,推重比8.3。采用FEDAC全权限数字式发动机控制。1900K涡轮前温度绝对让人惊艳,足见日本发动机材料的先进。相比之下,AL—31F涡轮前温度只有1665K,WS10A也只达到了1750-1800K。这是XF-51的一大亮点。

XF-51的另一大亮点是:采用了数字式折流板矢量控制。即发动机喷口尾部,呈圆周每120°角位置,各配置一片碳-碳复合材料的导流叶片,且每个叶片均有单独的动作装置驱动,通过偏转导流叶片向内、向外径向转动的角度,来引导发动机喷流方向的变化,提供俯仰和偏航所需的控制力。

流板技术起源于1970年代中期,德国MBB公司的飞机设计师沃尔夫岗?赫尔伯斯提出利用控制发动机尾喷流的方向来提高飞机的机动能力。1985年美国国防预研局和MBB公司联合进行了可行性研究,1990年3月,美国Rockwell公司、Boeing公司和德国MBB公司共同研制的在发动机尾喷口装有可改变推力方向的3块碳纤维复合材料舵面的试验验证飞机X-31出厂,并进行了试飞,其舵面可相对发动机轴线偏转±10°,在迎角为70°时仍能操作自如,并具有过失速机动能力。

折流板技术的优点是结构简单,折流板与发动机隔离,驱动设计的难度低。不需要考虑密封问题,烧蚀问题也相对容易。成本较低,适合对现有动力进行改造,而无须对载机和发动机做大的改动。事实上,美军就先后在F-14和F-18上分别安装折流板进行了试验。

但XF-51的折流板也有明显的缺点。

1.结构重量较大:每片折流板导流片必须有相应的伺服动作机构,同时要在发动机上增加1条加强框,以固定在发动机机体上,另外一条加强框则直接固定在飞机机体上。

有资料称一套折流板至少要增加150公斤左右的重量,X-2验证机2套就要付出300公斤左右的结构死重。不但气动配平难度加大,而且对超音速巡航不利。

2.矢量推力效率较低:由于折流板与发动机间不密封,发动机尾部喷流从板体间泄露,矢量推力的效率降低。有资料称,每片导流叶片最大偏转角度为35度,气流方向改变最大角度大约只有15度。

从公开文献看,中国四代机将要采用的,是基于燃气密封的轴对称矢量喷管(AVEN),技术难度自然更大,但可靠性和效率也更高。网载国防科技大学2007年5月提供的陶瓷基收敛密封片经配装某矢量喷管进行台架试车,矢量喷管矢量循环数为1906次,陶瓷基收敛密封片无故障缺陷。涡扇型轴对称矢量喷管试车成功,说明该台热态试验件解决XX项关键技术的措施是成功的,使推力矢量喷管研究又跨上了一个新的台阶。但是,从J20的公开试飞看,尚未发现二元矢量喷管的实机安装。仅仅从这一点来看,称折流板是XF-51的第二大亮点,并不为过。

当然,XF-51也有一些问题。

1.推力太小:总共只有5000多公斤的加力推力,两台也赶不上一台J11的三姨夫,更不要说14吨的WS-10B。当然,作为全长14米,翼展9米,起飞重量8吨的X-2试验机,这样的推力也许够了,但如果真是型号动力,要负载所有油料、弹药和电子设备和2个飞行员,这样的推力实在太小了。同样因动力被诟病的J31,两台RD-93还有8000公斤X2的推力。

2.推重比稍低:8.3,作为三代机的标准自然不差,但作为超音速巡航和超机动的四代动力,仍嫌稍低,能不能赶上目前太行改的水平存疑。不过J20是有WS15做足够想象空间的。而XF-51的替身在哪里,可是一个很大的问号。

看点三、光传操纵系统

一、日方宣称,X-2采用了光传操纵系统FBL(Fly-By-Light)替代了电传操作系统FBW(Fly by wire),并在光传系统的帮助下实现了飞-推-矢一体化控制。

FBL比较FBW,具有以下优势

1 抗电磁干扰:对电磁干扰、电磁脉冲辐射和雷电具有很强的防护能力。光纤本身不辐射能量,这又提高了可靠性和安全性。

2重量轻、数量少:与FBW分立线路不同,利用波分复用技术的光纤可以同时传输多路信号,减少电缆数量80-90%。比如F/A-18大黄蜂的每一个作动筒平均有15路FBW分立的信号线,改用FBL只需1根光纤即可实现15路电导线所完成的信号传输功能。而且光纤的故障隔离性好,当一个通道发生故障时不会影响其他通道。

3 速率高:FBL电缆传输可以满足1Mbps的导线式应答总线传输速率,而FBL光传输系统的传输速率可达100Mbps

4 损耗低:FBL光纤传输的信号损耗可降至0.2dB/km以下, 比电缆小1~2个数量级。

从公开文献看,中国开始研究FBL是2000年,很多国内报道都认为J20采用了FBL,但都是基于推测的。当然,无论是X-2还是J20,我们都无法从外观得出是否装备了FBL的结论。不过日方既然已经宣布,我们自然还是将此列为X-2的一大亮点。

看点四、智能蒙皮

日方2011年宣称,完成了“智能蒙皮机体构造的研制”,将用于心神战机的研制。

智能蒙皮,Smart Skins,就是在航空器复合材料蒙皮中,嵌入或在其表面上附着安装各种航空电子器件,使之具有信号检测、处理及传输功能的航空器蒙皮。智能蒙皮的实现,对机体复合材料和先进电子器件都提出了非常高的的要求。

在目前的实际应用中,智能蒙皮主要涉及三个方向:

1:智能天线蒙皮:主要是把天线和机身表面做成一体,或者说,把天线嵌入飞机的蒙皮内。这要求把收发组件变得更薄,以与航天器表面共形。这对氮化镓、碳化硅和铝镓氦这类高新元器件的水平要求很高。

2:智能隐身蒙皮:2015年11月10日,美国物理联会主办的《应用物理》杂志118期上发表了一篇作者来自中国华中科技大学的英文论文。该论文阐述了将“有源频率选择吸收表面”技术用于吸收特高频(UHF)波段雷达波的技术。这被认为是一种可以用于制造隐身战斗机智能蒙皮的技术,它可以根据敌方雷达的探测频率调节自身对雷达波的吸收率,从而大大降低雷达反射面积,可能让现有只能吸收固定波段电波的隐身涂层技术彻底过时。

3:智能预警蒙皮:在航空器蒙皮中植入能探测射频、雷达波、激光、核辐射等多种传感器,用于地方威胁的监视和预警。

由于资料有限,我们无法获知X-2智能蒙皮具体是哪一种。但中日四代机在此领域的研发都会紧锣密鼓的进行,我们拭目以待。

看点五:宽频隐身材料

日方宣称,X-2将使用一种由电阻抗变换层和低阻抗谐振层组成的宽频带高效吸波涂料,其中变换层由铁氧体和树脂混合组成,谐振层由铁氧体导电短纤维和树脂组成,在1~20 GHz的雷达波段上吸收率达20分贝以上。

2014年中国航空报报道,北京新三海特种材料有限责任公司研制成功SH6红外雷达隐身复合多元膜,已申请国防专利。国家权威机构多次检测,发现SH6复合多元膜可使8~40GHz频段内的雷达波衰减达10~15db,而每平方米的重量仅为0.7千克,还可极大降低红外辐射波,综合性能明显优于目前世界各国通用的雷达隐身涂料,将为提升我军作战效能和极大提高武器生存能力作出贡献。

怎么样?大国航空技术之间的较量,无所不在啊。

小结:

昨天的X-2,为世界带来了第六种四代机的首飞。

一方面,三菱重工乃至整个日本国防工业,都为心神运用了大量的新材料、新技术、新工艺,是日本电子工业和材料工业等制造业的大成。从总体上看,X-2在材料和电子技术上都有很多亮点,比如机身复合材料、智能蒙皮电子器件、光传器件、折流板耐高温材料上,都体现着一个制造业大国的精湛工艺,这些都值得我们继续关注、研究和学习。

另一方面,X-2在局部亮点频出的同时,总体性能却不突出,因而显得有些“匠气”。且部分研制条件受制于人。

——具有1900°涡轮前温度,发动机推重比却只有8.3;

——具有高比例复合材料机身,隐身设计的弱点却很多;

——只有空重8吨14米长的机身,却又是双座设计,近19米长20吨空重的F22和近20米长22吨的J20(网传数据)可都是单座啊,兵器迷实在想不通;

——隐身设计和隐身材料都是日本原创的,但隐身测试却是在法国雷达波暗室做的;

——战机尺寸过小,机头和发动机舱的距离很短,如何布置隐身弹仓?3.67米长的AAM-4空空导弹塞在哪里呢?替空自发愁啊。

X-2,貌似有点二(抱歉)。

这一方面体现了,受美国制约,日本单项冠军的实力和系统集成的短板交相辉映;另一方面所以,日本X-2确实是技术验证机而不是型号原型机——三菱称2015年已经耗费的394亿日元(24亿人民币)只包括一架X-2,也许从侧面验证了这个结论。这与J20的2001首飞意义完全不同——这个是冲着装备型号去的,意义完全不同。

如果X-2有些地方不如人意,也就不必求全责备——人家试的就是技术,不是平台。

如果X-2有超越J20的地方,也就不必大惊小怪——谁知道中国验证机上又有哪些超越J20的技术?

日本真正的四代机,要么是F3,那是心神的放大版,现在还没下料呢;要么就是F22,面对中俄四代机特别是J20的压力,F35未必入得了日本人的法眼。

未来东亚的天空,势必将被越来越多四代机笼罩着。中国空军的J20的翼影,需要在这样的环境下,像划过浩宇的闪电一般迅疾掣利,劈开黑夜的阴云,照亮祖国和平的天空。

所有资料来自于互联网公开报道和公开出版物,如:

《智能蒙皮的发展与应用》

《光传操纵系统的发展》

《兵工科技》, 等等

本文为凤凰军事独家稿件,转载请注明出处,违者必究。

[责任编辑:薛满意 PN017]

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