问题

歼20具备超音速巡航能力吗?

回答
歼20,作为中国空军现役的最先进的第五代战斗机,其性能参数一直备受关注。关于它是否具备超音速巡航能力,这是衡量一款战斗机先进与否的关键指标之一。

超音速巡航(Supercruise)的定义

首先,咱们得搞清楚什么是“超音速巡航”。简单来说,就是战斗机在不开启加力燃烧器(也就是我们常说的“afterburner”)的情况下,能够长时间持续以超过音速的速度飞行。加力燃烧器虽然能提供巨大的推力,让飞机进入超音速状态,但它非常耗油,就像汽车开了氮气加速一样,只能短时间爆发,而且对发动机的损耗也很大。所以,如果一架飞机能在不点火的情况下就轻松超音速,那它的作战效率和续航能力就大大提升了。

歼20的动力系统与超音速巡航的可能性

歼20最初亮相时,使用的是俄罗斯的AL31FN发动机,但随着国产WS10系列发动机的成熟,尤其是推力更强的WS10C型发动机的装备,歼20的动力水平得到了显著提升。

发动机推力: 现代先进战斗机的超音速巡航能力很大程度上取决于其发动机的推重比以及在高马赫数下的持续工作能力。AL31FN虽然是一款不错的发动机,但其推力和效率可能不足以支撑重达数十吨的歼20实现真正的超音速巡航。而改进型的WS10系列发动机,特别是为歼20量身打造的版本,据信在推力、燃油效率和在高空高速下的性能上都有大幅改进。虽然官方没有公布具体的发动机型号和详细性能参数,但从歼20的设计和实战需求来看,配备推力更强的国产发动机是必然趋势,而且这些发动机的设计目标之一就是提升超音速性能。

气动设计: 除了发动机,歼20本身的气动设计也非常关键。它采用了鸭翼、边条翼、菱形机翼等一系列先进的气动布局,这些设计不仅有助于提升飞机的机动性,更重要的是优化了在高亚音速到超音速区域的飞行效率和稳定性。良好的气动设计能够有效减小跨音速和超音速飞行时的阻力,让飞机在不需要加力的情况下也能达到并维持超音速。歼20的机身设计非常光滑,尽量减少了突出的部件,这也符合减小超音速阻力的空气动力学原则。

内部弹仓: 歼20采用内置弹仓设计,这是为了降低空气阻力,尤其是为了在超音速飞行时保持较低的阻力。外挂武器会显著增加飞机的空气动力学阻力,这对于超音速巡航来说是致命的。

证据和分析

虽然中国官方和官方媒体在这一点上没有明确给出“歼20具备超音速巡航能力”的定论,但通过公开的飞行表演、军事演习以及一些非官方的分析,我们可以看到一些线索:

1. 飞行表演中的表现: 在一些公开的飞行表演中,歼20展现出了令人印象深刻的飞行速度,并且能够长时间维持高速飞行。虽然不能直接证明是超音速巡航,但其表现已经超越了很多只能通过加力才能达到超音速的飞机。

2. 军事专家和分析师的普遍看法: 许多国际军事分析师和中国军事专家普遍认为,歼20的设计目标之一就是具备超音速巡航能力。考虑到其对标的是美国的F22和F35等具备超音速巡航能力的第五代战斗机,没有这一能力将使其在性能上处于劣势。而且,如果它不具备超音速巡航,那么其“第五代”的定位也会受到质疑。

3. 发动机的升级换代: 正如前面提到的,随着国产WS10系列发动机的成熟和推力提升,为实现超音速巡航提供了技术基础。发动机是实现这一能力的核心。

挑战与局限性

即便如此,实现真正意义上的超音速巡航也面临着诸多挑战:

高空高速性能的平衡: 保持超音速巡航不仅需要强大的推力,还需要发动机在高空稀薄的空气中依然能高效工作,并且与机体气动性能形成良好匹配。
燃油经济性: 即便在不使用加力的情况下,超音速飞行本身也要消耗更多的燃油。如何平衡航程和速度,是需要精确计算和设计的。
结构强度和热管理: 以超音速飞行会对飞机结构产生很大的应力,同时空气摩擦会产生高温,这对材料和结构设计提出了极高的要求。

总结

综合各方面的信息和分析来看,歼20极有可能已经具备了有限范围内的超音速巡航能力,或者至少其设计目标是实现这一能力。 随着国产发动机的不断改进和升级,其超音速巡航的水平和持续时间应该会越来越高。但要达到像F22那样可以长时间、高效率地进行超音速巡航的水平,还需要持续的技术进步和验证。官方的沉默既是为了保密,也可能是因为这一能力仍在不断完善和优化之中。

在军事航空领域,每一项先进性能的实现都是一个复杂系统工程的成果,涉及到发动机、气动、材料、航电等多个方面的协同发展。歼20的超音速巡航能力,是其作为中国空军新一代主力战机的核心能力之一,也是衡量其与世界先进水平接轨程度的重要标志。

网友意见

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首先现在歼20的气动特性飞行性能之类的都是绝密,任何贴出相关气动模型吹风数据的,都是喝茶节奏……回答这个问题只能基于不喝茶的公开资料以及合理猜测进行推断。

然后要回答这个问题,首先要定义好什么叫超音速巡航:超音速巡航是在不开启加力的情况下,实现长时间的超音速飞行,而且最好是维持1.5马赫或者以上的超音速飞行。从定义看可知,超音速巡航和开加力飙上超音速并不矛盾,或者说是否开加力加速到超音速,和是否具备超音速巡航能力这个问题没有关系。实际上像上世纪的协和式客机,在起飞爬升和加速阶段,也是需要打开加力的,只是进入高空高速的状态之后关掉后燃器巡航而已,但是它依然是具备超音速巡航能力的,而且是跨洋飞行的那种。

然后我们先抛掉什么油够不够用、发动机长时间超音速工作是否有不良影响,有外挂物会造成多大阻力,不同高度不同速度巡航之类的复杂变量,就简单讨论一下在全内置空战挂载,进入战区的油量的情况下,不开启加力全凭军用推力,是否可以在10000m高空维持1.5ma超音速飞行。

所谓维持某个速度飞行,说白了就是不掉高度不降速的匀速运动,稍有初中物理常识的都知道,也就是升力=重力,发动机推力=飞行阻力,整体受力平衡。因此我们只需要先设定歼20进入超音速巡航速度时的重量,得出所需的升力,根据升阻比计算飞行阻力,再和发动机的对应军用推力大小进行比对,就能得出现有发动机是否能维持超巡的结论了。


那么问题就来了,我们不知道歼20在1.5马赫时的升阻比啊?也不知道现在歼20用的发动机什么水平啊?这都是水表问题啊。

不要紧,那我们可以划定两条地板线,只要地板线的升阻比和地板线的发动机也能满足超巡的话,那歼20也就可以超巡了。

第一条地板线是F35A,南京航空航天大学有一篇硕士论文《f-35战斗机三维重建及气动、隐身特性分析》,通过建模进行过不同速度下的气动特性分析,可以进行一定参考。大家都是升力体机身的隐身机,升力特性都不会太差(当然可能F35A的升力系数更大些),而歼20采用鸭式布局,大后掠角的梯形主翼,而且全机长度较长,更为着重超音速减阻,因此大家的升阻比特性应该接近,甚至歼20的超音速升阻比会更大一点。

第二条地板线是su-27上的AL-31F,这个有比较完整的推力曲线图。歼20无论是早期试飞以及早期量产批次用的疑似AL-31FM2(或者说歼10B同款的AL-31FN sep3),还是试飞了一年多的WS-10某种改进型,都应该有比AL-31F更强的军用推力。


先看第一条地板线的,根据《F35三维重建》一文,F35A在1.5马赫的超音速巡航段,模拟的升阻比状况如下。

我们假设歼20的1.5马赫升阻比CL/Cd曲线也长这样(当然不同机型气动特性差异极大,这样非常不科学的但是没有办法,毕竟我又不开实验室更加不想喝茶),那我们还得知道他巡航的时候,应该是多少迎角(AOA),才能对照此图找出对应迎角下的升力系数。

目前猜测服役状态下的歼20,空重按悲观点的数据估计是19.5吨,那先假设进入超巡的四个状态:1、满油12吨+1.2吨空空弹药;2、进入战区2/3油+1.2吨弹;3、半油+1.2吨弹;4,1/3油打光弹药。根据升力=重力,可知需要升力分别为32.7吨、28.7吨、26.7吨、23.5吨。

根据升力公式,飞机升力L=1/2*空气密度p*速度V的平方*机翼面积S*升力系数C,升力系数随着迎角变化,是需要求的值。10000米高空空气密度为0.41271kg/m3,音速为300m/s,也就是说V=450m/s,歼20等效的主翼面积S=75平方米。代入公式可得,升力系数CL分别为0.1、0.09、0.08、0.07就够了。

按照同一编论文的升力系数变化曲线,按上边计算的升力系数CL去找AOA,对着量大概知道巡航时候迎角是1度、0.7度、0.25度、0度多一点点。再结合上边的升阻比曲线图,可得四个状态下升阻比分别为5、4.5、4、3。根据上述升力计算阻力,再除以2(歼20的两台发动机,由于攻角极小所以推力的垂直分量可以忽略),可得在四个状态下,每台发动机所需推力分别为32.05KN、31.25KN、32.71KN、38.38KN。

然后对照AL-31F的推力曲线图(左边为军推),可知在1.5马赫,11km的飞行高度下,单台发动机最大军用推力大约为36KN

对照上边假设的四种状态,AL-31F能勉强满足1/2/3状态下超巡,不能满足状态4下的超巡推力需求。而由于状态4已经是作战结束离开战区并返程,因此不能超巡不是太影响作战效能发挥,因此还是可以认定。即便是使用AL-31F的歼20,在10000米高空,依然能实现1.5ma的超音速巡航。

现在可以理解为啥歼20的飞行员说“进入超音速就是他的天下”了吧。

当然从上述推断还是可以看出AL-31F或者其改进型还是很勉强,未来换装推力更强的发动机,可以使得其在更广的速度范围或者更大的高度范围实现超巡,或者进行更强劲的超音速转弯,或者说实现更高速度下的超巡,甚至实现不开启加力也能进入超巡(以便降低红外辐射信号强度),对于歼20的作战能力的提升,还是大有裨益的。

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