11年前首飛的殲-20對大家來說已經不再神秘儘管珠海航展上殲-20的關注熱度依然很高但想要重現爬牆黨的熱情已經不再了不過日前網友翻出的一個影片又將殲-20送上了關注焦點。
網傳同濟大學72歲退休女教授“不刷題的吳姥姥”在一檔紀念顧誦芬原始的節目中表示殲-20的最高速度可達2。8馬赫這個速度讓熟悉殲-20效能的朋友嚇了一跳資料中的殲-20最高速度為2。2馬赫巡航速度為1。8馬赫現在給出了個2。8馬赫究竟是不是真的
資料來源“不刷題的吳姥姥”真這樣說了
筆者當年也在超大和美言上持續關注爬牆黨們發出的關於殲-20的最新訊息對殲-20的效能還是頗為了解的尤其是速度方面各大媒體給出的速度最高也就是2。2馬赫因此筆者看到這個“不刷題的吳姥姥”給出2。8馬赫時也是愣了一下這到底是不是真的不會是PS的吧
由於筆者看到的這位作者的圖片中只有一張截圖因此花了不少時間才確認這是同濟退休教授“不刷題的吳姥姥”在一年前發表在影片平臺抖音上的作品第111集《飛機突破“死亡壁壘”音障有多難致敬顧誦芬院士》的影片。
該影片回顧了上世紀80年代顧誦芬院士在殲-8戰鬥機跨音速試飛中遭遇了機尾共振的難題時年48歲的顧誦芬坐在另一架戰鬥機上貼近觀察共振的位置最終解決了這個跨音速共振的難題而在影片末尾“不刷題的吳姥姥”提到了我國已經裝備的五代機殲-20她表示該機的最大速度高達2。8馬赫。
這表示“吳姥姥”確實說過這句話而“不刷題的吳姥姥”是同濟大學物理學退休教授抖音粉絲386。1萬可以說影響力也非常大盡管物理學教授並不是軍事專家但超音速確實是個物理學問題因此“吳姥姥”對此確實有些發言權但2。8馬赫與大家印象中的速度相差也太大了吧基本已經和米格-25和SR-71在同一個級別了。
雖然米格-25和SR-71都是上世紀六十年代的飛行器但其超過3馬赫的速度目前並沒有戰鬥機可以輕易達到而殲-20最高速度可達2。8馬赫這事兒到底是不是真的
殲-20的速度真可能達到2。8馬赫嗎
殲-20是除了美國的F-22和F-35以外第一種五代機而且研發它的是一直不被重視的中國因此在2011年首飛時對各國的衝擊力是非常大其誕生後一直都處在各國軍方視野的焦點。J-20主要空中優勢戰鬥機與F-22類似同樣兼具多工比如對地攻擊等但其體型要比F-22大一圈。
殲-20的氣動佈局為三翼面結構有一對全動鴨翼以及全動尾翼進氣道為DSI進氣結構線條非常流暢優美所有接縫都有防止過高反射電磁波的鋸齒設計其航程相當大主要結構引數如下
以上這些引數估計各位軍迷都應該非常熟悉了筆者就不多廢話了本文的關注重點在殲-20的最高速度是否可以達到2。8馬赫下面討論下與超音速相關的部分。
對於最高速度部分討論可能很多朋友都認為把發動機推力與飛機重量也就是推重比拿出來對比下就知道J-20能飛多快了但事實上這個問題絕對不是那麼簡單比如當年創下速度記，3。32馬赫的SR-71的推重比只有0。3822。83馬赫的米格-25的推重比為0。412。2馬赫的協和客機推重比只有0。373。
那麼J-20的推重比是多少呢發動機為WS-10C時、掛載武器燃油減半時為1。12比較高載荷時推重比為0。92左右比以上三架飛行器要高得多所以速度也比它們高很多其實完全不是推重比儘管非常關鍵但推力並不是速度的決定性因素因為和速度相關的有兩個最關鍵的因素如下
飛行器的展弦比
發動機的涵道比
展弦比是一個空氣動力學上的專用名詞早期的展弦比值得是寬高比因為當時的飛機機翼是一個長方形以翼展和翼弦長的比例因此被稱為展弦比但後掠翼使用後這個方法就不好用了改成用為機翼的翼展平方與機翼翼面積的比值如下
展弦比大的比較適合低速飛行比如B-52轟炸機展弦比為6。5U-2高空偵察機展弦比10。6全球鷹無人機展弦比更是高達25展弦比大的飛行器低速效能很好但其速度比較難提高。而小展弦比的飛行器高速效能非常好問題是低速效能不好因此一些高空高速戰鬥機難以攔截低速運動型飛機的現象確實是存在的。
在跨音速或者超音速戰鬥機中機翼一般都是後掠翼甚至三角翼這還有另一層原因音速以及超音速飛行時飛行器的機頭部位壓縮空氣會產生激波這個會以機頭為定點的一個箭形傳播激波前後氣體的性質會發生劇烈變化能量很大如果此時機翼仍然是大展弦比的翼型那麼平直的機翼會被衝擊解體導致飛行事故的發生。
增加機翼的後掠角度可以推遲激波的產生因此在目前的跨音速與超音速戰鬥機中基本都是後面積比較大的掠翼當然也有翼展很小的梯形翼比如NASA早期測試的超音速飛機XF-104就是個奇葩。
殲-20的展弦比是否適合更高速飛行
殲-20的機身長度為21。2米翼展為13。01米機翼面積為73。48平方米展弦比在2。2左右屬於小展弦比高速戰鬥機如下圖
圖源超大LantianYY
上圖為早期J-20的比例資料為2。2有一些出入但展弦比大致如此本文就直接引用了那麼那些速度可達2。8~3。3馬赫的飛行器展弦比又是多少呢米格-25的機翼的後掠角為42°下反角5°相對厚度4%翼面積61。9米²展弦比3。2。
SR-71的展弦比呢SR-71的機身長度32。74米翼展16。94米機翼面積170平方米展弦比為1。939。
網上還流傳著SR-71展弦比1。69的資料不過筆者是從SR-71的官網上扒來的資料估計準確性應該會高一些。因此單獨從展弦比角度來考慮目測殲-20的飛行速度確實可以達到相當高的速度至少速度在米格-25的2。8馬赫~SR-71的3。3馬赫之間至於是多少筆者也是沒法確認但就憑展弦比而言確實可以的。
而且展弦比較之F-22的2。3還要小一些其考慮就是為了超音速巡航殲-20的發動機比F-22的發動機F119有比較大的差距只能在氣動佈局上下功夫而殲-20做到了。
另一個關鍵因素髮動機涵道比
飛機的氣動佈局確實可以飛那麼快但另一個問題是在發動機身上上文已經說了超音速飛行中推力盡管很重要但並不是決定性因素更關鍵的發動機的涵道比旁通比也就外涵道與內涵道之間的空氣流量比。
涵道比是渦扇發動機中一個特有的名詞目前比較常見的噴氣式發動機有兩種一種渦輪噴氣發動機另一種是渦輪風扇發動機兩種發動機的原理都是用多級壓氣機將進入發動機的空氣壓縮後送到燃燒室噴入燃油燃燒後高溫膨脹的燃氣推動高溫渦輪工作後再從尾噴口排出推動飛機前進
上圖為渦輪噴氣式發動機的典型結構可以看到從前到後空氣通道只有一個這種渦噴發動機的涵道比是0。
上圖為渦輪風扇發動機的典型結構空氣通道有兩個一個是外涵道一個是內涵道。渦扇發動機有一個比壓氣直徑更大一些風扇部分空氣從內涵道外圍透過不僅能給發動機散熱還可以增加推力。
比如大涵道比的客機發動機風扇其外涵道產生額推力可以佔到發動機推力的一半以上比如CFM56-7發動機波音737NG飛機的發動機為例風扇產生的推力佔總推力的78%以上但它有一個缺點就是風扇面積太大阻力很大高速效能並不佔優。
與之對比0涵道比的渦噴高速效能非常不錯但低速油耗偏大並且推力而小涵道比的渦扇發動機則在推力和油耗上取得一個平衡綜合性能都不錯不過目前也有一種兼顧渦噴高速效能和渦扇低速大推力的變迴圈發動機不過不在本文討論之列。
殲-20的發動機涵道比適合高音速飛行嗎
殲-20的發動機此前有說法是AL-31F不過就珠海航展的殲-20發動機來看應該已經換成了WS-10C衍生自WS-10這種發動機的主要引數如下
長度4950毫米
直徑1160毫米
淨重1。7噸
壓氣機9級軸流式高壓壓氣機壓比12絕熱效率85
最大推力 132千牛WS-10C為147千牛
推重比7。9
渦輪前溫度1423℃
空氣流量120千克/秒
涵道比0。78
這個發動機引數還能和SR-71以及米格-25的發動機對比涵道比了嗎答案是否定的因為米格-25的發動機為土曼斯基R-15BD-300帶加力燃燒室的渦噴發動機涵道比是0。而SR-71的發動機J58則是一種早期的變迴圈發動機。
這種發動機在壓氣機的第四級透過6根管道將部分氣流引出直接送入加力燃燒室不僅能大幅降低高溫渦輪的溫度還能長時間開啟加力這種發動機在不同速度下的氣流的走向是不一樣的而美軍目前也發展出了最新的變迴圈發動機XA-100。
低於2。2馬赫的工作狀態
高於2。2馬赫的工作狀態
F-22的發動機F119涵道比在0。3左右公開的最高速度為2。25馬赫但從其涵道比和展弦比分析它應該具有更高的速度軍事專家認為其最高速度可能在2。5馬赫左右WS-10的涵道比在0。78按一般高於2馬赫的發動機比較少選用0。5以上的涵道比來看似乎WS-10發動機的極速是受到一些影響的。
F119發動機
不過高速效能和涵道比不是唯一相關高速效能還和增壓比以及渦輪前溫度相關不止是涵道比涵道比增大的情況下可以透過這些方面的設計來解決對高速效能造成的影響。因此筆者認為J-20的高速效能雖然在氣動佈局上扳回一局但在發動機上可能比F-22略差而整體速度上應該略低於F-22。
《人民日報》短影片《一分鐘》1分鐘飛52千米
《人民日報》曾發過一則短影片披露過殲-20的極速在影片中明確表示殲-20戰機在一分鐘內可戰鬥巡航52公里按海平面音速計算馬赫數已經超過2。54而一般的高空音速會略低因此馬赫數會更高一些比如按10000米高空音速299。41米/秒計算馬赫數為2。89基本符合2。8倍音速的說法。
但以上文的資料中似乎又不太符合推測不過殲-20的“原定裝機發動機”WS-15的涵道比僅為0。25而且其推力達到了181。373千牛渦輪前溫度為1580℃空氣流量為138千克/秒。如果F119能達到2。5馬赫那麼WS-15達到2。8馬赫以上似乎問題不大。
這似乎表明《人民日報》的短影片中的資料來自WS-15發動機的測試資料如果只是“不刷題的吳姥姥”影片中說明筆者認為可能是口誤但人日的一分鐘52千米又如何解釋所以各位猜去吧。
延伸閱讀殲-20高速效能非常優秀那麼升力不行嗎
殲20採用中等後掠翼和小展弦比機翼面積只有約37。5平方米為f22的一半這就降低了阻力提高了超音速巡航能力增加了航程。但升力怎麼來五代機不僅需要高速還需要高機動性的升力。
圖源見水印
為了在低迎角下提供足夠升力殲20採用鴨翼和邊條翼複合耦合增升 其在低迎角下升力係數提高很大改善了起飛速度大大降低還提高了超音速升阻比成飛透過殲9與殲10的氣動佈局設計掌握了鴨式氣動佈局和電傳飛控技術又透過梟龍掌握了大邊條技術這就是鴨翼和邊條翼複合耦合增升
請注意第八項
這項設計還曾獲過大獎在智慧財產權局公佈的第21屆中國專利獎名單中殲-20以“升力體邊條翼鴨式佈局”榮獲外觀設計專利金獎。所以各位千萬別小看殲-20看著就像高空高速機型但其實它的設計要比F-22的氣動設計複雜太多。