歼20的腹鳍（上）

TopGun

本文只代表我自己的看法。

本文的目的是简单分析歼20的腹鳍所带来的好处和不利之处。我从以下几个方面来说：
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1、隐身；
2、机动一；
3、机动二；
7 j% S* R8 u8 m1 R! c4、是否能取消腹鳍？

歼20在发动机尾喷口外侧的尾撑上向下方倾斜安装。尾撑上方式外倾的全动垂尾。
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" B& o# [+ W1 H7 _$ O1、隐身：

发动机喷口的隐身难度非常大，歼20的腹鳍为其在一定角度范围内提供了隐身屏蔽。

我再次强调：中国航空的最大软肋就是发动机。合格的中国航空人，必须要在飞机设计中想方设法弥补这个先天不足。
歼20发动机使用的轴对称、收敛/扩散可调节喷口不但要实现360度推力矢量，更要在隐身的前提下实现上述功能。事实上，我注意到，目前试飞的歼20，其喷口尚无隐身的锯齿修形：
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- Q+ c/ U) a( k, y( @1 j2 O5 _" p作为对比，下图可见F-35喷口的隐身锯齿修形：
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. `9 _2 d# c( d: p% B: c& j# a虽然歼20计划使用正在研制中的涡扇-15，其喷口极可能使用隐身锯齿修形，但喷口隐身绝非仅凭一个简单的锯齿修形就可以实现。涡扇-15的喷口不但要极端可靠地、快速地在收敛和扩散之间变化，更要极端可靠地、快速地在360度内实现推力矢量控制，而这又需要在隐身的前提下完成。因此，我非常理解中国的航空人用腹鳍为歼20的这两个喷口提供部分隐身遮蔽的苦心。
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事实上，无论F-22还是F-35，它们都凭借巨大的尾撑为发动机喷口提供了一定的隐身遮蔽。为什么它们仅仅用尾撑就可以提供遮蔽？因为它们都是常规的有尾部局，所以都使用了巨大的、沉重的尾撑用以安装刻意非常后置的平尾，如下面两图所示：
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$ I; Q$ o) u. z1 ?. W; O5 P# n9 X歼20不需要像F-22和F-35那样的巨大、沉重的尾撑，因为歼20没有平尾。但是歼20在小尾撑上使用了腹鳍为喷口实现部分隐身遮蔽。这个腹鳍同时在提高歼20的机动性上大有好处。
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9 }6 x, L- E) e9 Z# K2、机动一：
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腹鳍的存在不但减小了垂尾，更为垂尾后移从而进一步再次减小垂尾创造了条件。这都使飞机重量减轻。

歼20的垂尾比较小。除了使用全动垂尾外，另一个重要原因是歼20有腹鳍。下图是歼20：
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腹鳍在飞机做剧烈机动时可以提供至关重要的方向安定性。这是因为在大迎角时，腹鳍正好迎向来自前方的、未受干扰的气流，具有非常高的效率。而此时垂尾正好被前机身和机翼遮挡，效率非常低。
下图中，机动中的F-22，其垂尾的气流条件恶劣。为保证垂尾功能，F-22使用了巨大的、从而沉重的垂尾：
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为了满足大迎角性能这个至关重要的机动性保证，前移垂尾从而改善垂尾的来流质量也是一个办法。但是这个办法的缺点是减小了垂尾的力臂长度从而降低了垂尾效率。为了弥补这个不足，就需要付出重量代价加大垂尾。
前移垂尾有两个主要办法。一是直接把垂尾的安装点前移；二是使垂尾的后缘前掠，从而使垂尾的气动中心前移动。俄罗斯的T-50就是不但安装点前移，而且后缘前掠：


相比之下，歼20的垂尾可以非常靠后，并且使用后掠形状，从而大大增加力臂长度，提高了垂尾效率。歼20能如此放心大胆地后移垂尾并且使用后掠垂尾的一个重要原因是有腹鳍。
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3 L  A9 s: R9 Z: H/ ^& V) @4 H有人会说：T-50的垂尾也很小。但是请大家注意T-50的发动机是外偏斜安装的。发动机外偏斜安装有很多考虑，其中之一应该包括依靠发动机推力实现部分方向安定性和方向控制。发动机外偏斜安装的一个缺点是使飞机前飞损失一部分推进动力。这对于俄罗斯大概可以接受，对发动机为弱项的中国而言，最好不要用。下图可见T-50发动机的外偏斜安装：


本文（上）的小结：

1、歼20的腹鳍为发动机喷口提供了部分隐身屏蔽。发动机在隐身的前提下实现收敛/扩散的快速变化和360度推力矢量是有非常高的难度的。歼20腹鳍的这个屏蔽对于在发动机方面较弱的中国，是明智之举；
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% F0 X$ r& i; [. ?' L  v2、歼20的腹鳍保证了歼20在实现高机动的同时，可以使用小的、非常靠后的、后掠的垂尾。这大大减轻了飞机的结构重量。

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爱思伯爵

很专业啊，学习了。

魔术师

期待着（下）啊！

另外提个问题：腹鳍会不会增加雷达反射呢？例如正面。
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TopGun

魔术师 发表于 2011-12-17 21:22
期待着（下）啊！
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. _( r' z& T8 n另外提个问题：腹鳍会不会增加雷达反射呢？例如正面。

" H6 I( |* {$ r因为腹鳍的存在，垂尾得以减小，从而减小了垂尾的雷达反射。

因为腹鳍的存在，发动机喷口的雷达反射在某些角度得以减小。腹鳍另外还有遮蔽发动机喷口红外辐射的功能。
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当然，腹鳍本身会增加雷达反射。
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  Z* w1 B8 i1 q5 u  ?所以上述几项要综合考虑，看腹鳍的存在是否使飞机总的雷达反射减小。
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晨枫

腹鳍对喷口的遮挡作用很是怀疑。喷口的隐身主要是针对后半球，腹鳍对此毫无作用。腹鳍对喷口正侧面都无法遮挡，能有所遮挡的实际上是侧前45度，这个角度喷口的雷达和红外特征都不是最大的问题。

TopGun

晨枫 发表于 2011-12-19 07:39
腹鳍对喷口的遮挡作用很是怀疑。喷口的隐身主要是针对后半球，腹鳍对此毫无作用。腹鳍对喷口正侧面都无法遮 ...

三点回答：

2 q  ?& a+ b  l! [0 h. s. x5 m1、不能说这个腹鳍只能遮挡前方45度范围。从下图中的俯/仰视图看，如果从发动机喷口后缘到腹鳍后缘连线，这个线与飞机纵轴之间的角度应该至少大于75度，即腹鳍大致能遮挡前方75度范围。这虽是大致的目测，也远远大于45度：
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2、歼20计划使用的涡扇15还没有装在歼20上。涡扇15的喷口长短还不知道，我们也不知道以后的歼20如果继续用腹鳍，是否会完善腹鳍形状从而针对涡扇15优化遮挡范围。但相应的形状优化从而扩大腹鳍遮挡范围并不很困难。所有这些因素和手段都在技术上可以使定型时的歼20，如果使用腹鳍，则腹鳍可以实现较大角度范围的隐身遮蔽。
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+ v* m$ |. @1 E; [, ?" A% A( i3、腹鳍有诸多用处，为喷口提供一定角度范围内的部分隐身遮挡是其诸多作用之一。这些诸多的作用哪个重要些、哪个不太重要，需要综合考虑，做出取舍。

晨枫

TopGun 发表于 2011-12-18 22:11
三点回答：

+ d, K3 B- }. ~% I5 u: `1、不能说这个腹鳍只能遮挡前方45度范围。从下图中的俯/仰视图看，如果从发动机喷口后缘到腹 ...

如果腹鳍的主要目的之一是遮挡喷口，那应该位置更加靠后，像后挑的平尾一样，不仅遮挡效果好，而且方向稳定性的效果也好。

TopGun

晨枫 发表于 2011-12-19 12:45
- D. i7 S6 w! V! }2 F- d如果腹鳍的主要目的之一是遮挡喷口，那应该位置更加靠后，像后挑的平尾一样，不仅遮挡效果好，而且方向稳 ...

腹鳍更加靠后会有一个后顾之忧：起飞着陆时容易擦地。
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- U5 j0 `4 R* A% |5 C5 z如果既要靠后又保证起飞着陆有较大的迎角裕度，就要付出较大重量代价加高起落架，这就得不偿失了。
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晨枫

TopGun 发表于 2011-12-19 07:05
8 R% V5 n; X9 D' k% o腹鳍更加靠后会有一个后顾之忧：起飞着陆时容易擦地。
4 x' f) @4 T7 ]" @) q" V: _$ o
如果既要靠后又保证起飞着陆有较大的迎角裕度，就 ...

可以折叠的腹鳍，米格-23时代就解决的技术问题。

TopGun

晨枫 发表于 2011-12-19 23:36
% @. s- d5 ^7 d; T& ^可以折叠的腹鳍，米格-23时代就解决的技术问题。

可折叠腹鳍不但因折叠/锁/执行机构而增加重量（隐身的前提下尤其如此），也给飞机的总体可靠性造成一定影响。这也给地勤一个额外的维护负担。

所有这些考虑，使得可折叠腹鳍用得非常非常少。如果使用可折叠腹鳍是为了增加隐身遮蔽范围，歼20还不如用这些重量去直接加强发动机喷口的隐身。

晨枫

TopGun 发表于 2011-12-19 14:19
可折叠腹鳍不但因折叠/锁/执行机构而增加重量（隐身的前提下尤其如此），也给飞机的总体可靠性造成一定影 ...

可折叠腹鳍的重量增加有限，技术难度远远小于直接加强喷口隐身，那是假定腹鳍真的可以加强喷口隐身的话。

坎特雷拉

可是不是要不要取消而是一定要取消啊，虽然用透波材料是肯定木有问题的不会影响隐身，但是上头已经说了，上了WS15后肯定是要取消的。

北京阿新

现在的腹鳍或许与飞豹早期的翼刀一样只是临时措施，对目前的气动布局信心不足，等到真正投入使用了，可能就会取消了