01.28 聊聊除了俄羅斯專家外絕大部分人都是看不上眼的蘇-57

2019年12月24日,俄羅斯首架量產型蘇-57戰機在進行交付前飛行測試時於共青城加加林飛機制造廠(KnAAPO)正北方一百公里處墜毀,飛行員跳傘逃生。這是蘇-57自2010年首飛以來的第一個墜毀記錄,也意味著全球量產型四代機中只有殲-20沒發生過墜機。

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對於蘇-57,除了俄羅斯專家外絕大部分人都是看不上眼的,各種調侃都有:直筒進氣道不隱身、彈倉沒見打開投放過彈藥、表面粗糙鉚釘外露等等,說得最多的就是拍扁的蘇-27 - 這話我在當初寫殲-20的時候也說過。最近又仔細琢磨了一下蘇-57,發現它並不像外表看起來這麼簡單粗暴,人家也是有內涵的。我不是俄粉也不是俄黑,只是儘量客觀地去審視,希望讀者不要一看標題就說蘇-57還有得好吹。連美國的航空研究人員都在一直呼籲要謙虛地分析其他國家為什麼會選擇不同的設計,我們有什麼理由要去蔑視一款新研發的俄式戰鬥機呢?

前提我不打算把蘇-57的前世今生、方方面面都仔細介紹一遍了,不然又是長篇大論,只講講幾個長期以來認知上可能存在偏差的地方。不過首先得強調一個前提,就是俄羅斯目前的實力。2018年俄羅斯的GDP總量初步核算約為103.63萬億盧布,同比增長2.3%。按照最新匯率計算為1.64萬億美元,摺合人民幣10.6萬億元。作為對比,我國廣東省2018年GDP為9.73萬億元人民幣,2019年更是飆升到10.5萬億,排在韓國之後躋身全球第13大經濟體。

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> 2019世界前14大經濟體,單獨算廣東省的話能把澳大利亞踢出這個表

再看軍費開支,根據斯德哥爾摩國際和平研究所的報告顯示,2018年俄羅斯的年度國防預算為610億美元,排名世界第六。美國以6490億美元高居首位,超過俄羅斯GDP的1/3,也超過後7位國家的總和。排名第三的狗大戶沙特軍費都用於購買"不求最好只求最貴"的各國常規武器,而俄羅斯還有龐大的核武庫和戰略核潛艇要投入,真正撥給空天軍的研發和採購預算相當有限。

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2020年,俄羅斯國防預算進一步縮水到475.5億美元,而單是美國空軍的預算就達到1656億美元,兩者完全不具可比性。實事求是地說,俄羅斯正在以西班牙的經濟體量維持著普大帝乃至全體俄羅斯國民力圖恢復昔日一等軍事大國的雄心壯志。

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> 蘇聯和俄羅斯從1988年到2016年的軍事開支變化,冷戰高峰時期的軍費是如今的4倍。

有了這個前提就可以理解為什麼蘇-57看上去這麼不像五代機,為什麼仍然採用20年前的工裝工藝和蘇-30共線生產,為什麼研發速度這麼慢,為什麼生產成本這麼廉價(據俄羅斯國防部透露,蘇-57的成本大約為5千萬美金,僅僅略高於蘇-35)。這幾個為什麼也足以說明蘇-57是目前最適合俄羅斯國情的選擇。

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氣動佈局蘇-57大體上繼承了蘇-27的氣動佈局,採用一體化升力機體、翼身融合、大間距發動機短艙、隆起的背脊、裸露的發動機艙(其實是鈦合金蒙皮沒有塗漆)、粗壯的尾錐,這幾個明顯的外觀特徵都很有蘇-27的神韻。只是背脊隆起的幅度沒蘇-27高、進氣道寬而扁、垂尾也比較矮,因此有拍扁的蘇-27一說。

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> 2011年8月莫斯科航展上同場的蘇-34、蘇-57和蘇-35

但是透過表象看本質,蘇-57和蘇-27在氣動佈局上的差異要遠遠大於相似之處,只能說是借鑑了後者的優點,而不能說是直接由它發展來的。

機頭

第一眼看到蘇-57的機頭,我聯想到的是卻圖-22M。蘇-27家族的機頭錐軸線和機身水平基準線之間具有7.5°下傾角,因為傻大黑粗的俄式雷達導致雷達罩過於碩大,不得不低頭給飛行員提供足夠的前下方視角。這已經成為了蘇-27的家族基因,雖然蘇-34安裝的是V004被動相控陣雷達,比初始的N001機械雷達輕巧很多,但是氣動佈局已經難以大改,所以它的雷達罩也是向下傾斜的。

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蘇-57的雷達罩外型和"逆火"的很像,僅有非常微小的下垂,前端還向上翹。具體的空氣動力學原因我不是很清楚,個人理解是船型的機頭過渡到平坦的前機身下表面,更符合升力體構型。值得注意的是"逆火"的最高速度達到1.88馬赫,比蘇-34還要高出0.1馬赫,這個形狀的機頭錐肯定針對高速飛行進行過氣動優化,圖-160的最高時速稍低一點為1.80馬赫,它的頭錐也上翹但沒有圖-22M這麼明顯。

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從正面看蘇-57的機頭被一條尖銳的稜線分為上下兩部分,橫截面呈現為和殲-20近似的5邊形,F-22則是4邊的菱形。兩個內傾的下側面可以產生升力,並對流向進氣道的氣流進行預壓縮,這都是相當標準的五代機設計了。只是F-22和殲-20縱向的厚度比較大,而蘇-57橫向發展,下側面面積小,預壓效果較弱。

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前機身

對比蘇-57、F-22和殲-20這三種空優五代機的前機身,可以發現一些有意思的地方:前機身的長度蘇-57最大、殲-20次之、F-22最短(整個機體也最緊湊);那條稜線把前機身分隔成上下兩半,蘇-57的稜線位置最低、F-22次之、殲-20最高;蘇-57機背隆起的程度最高、F-22次之、殲-20最小,幾乎只有座艙蓋是突起的。

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從升力體的完整性角度來說,蘇-57的前機身還是硬插在機體中央翼盒上的感覺,沒有形成完整平滑的一體化升力體構型;對進氣道的預壓效果也是殲-20最強、蘇-57最小。

最近20年,中央空氣流體動力學研究院再也沒拿出過類似蘇-27/米格-29這樣跨時代、開創性的氣動研究成果,這和整個俄羅斯的科研環境、風洞建設等各個環節都是緊密相關的,體現在蘇-57上就是它針對超音速巡航、超音速機動的氣動設計優化還達不到F-22/殲-20這樣的高度。

蘇-57的座艙蓋是傳統的有框結構,隱身性當然會打折扣,外型居然和AV-8的座艙蓋比較像,連開啟方式都一樣,向後滑動打開。這樣的後向視野當然比F-22和殲-20的水滴型整體座艙蓋要差很多,另外也沒有采用爆炸索+穿蓋的救生方式。

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從保守的座艙蓋設計大致可以看出幾點:

俄羅斯可能對大型整體式高分子聚合物座艙蓋的技術儲備很有限,造不出或者沒有錢製造過於昂貴的先進無框座艙蓋或者殲-20/F-35那樣的變厚度內框架座艙蓋

對自己的彈射座椅技術非常自信,堅持採用拋蓋彈射的救生方式

不追求全向視野、後半球甚至不如單座型的蘇-27,說明蘇-57沒打算過多介入近距離格鬥

五代機的相控陣雷達體積變小,為了解決前下方視野的問題,不約而同地把座艙往前移,F-22的座艙就比YF-22前移了18釐米。蘇-57的座艙比F-22還要靠前,和不少攻擊機的構型差不多,雷達罩上表面的直線型也是為了保證視野。

進氣道與發動機

蘇-57是比較典型的加來特進氣道,和F-15/蘇-27那樣的斜切矩形進氣道相比,加來特進氣道在軸向再斜切一刀,產生四段不同位置、不同角度的唇口,每一段都可以產生斜激波降低來流速度,四波系激波相互作用,可以在一個比較寬廣的速度範圍內為進氣道提供匹配發動機工作的亞音速氣流,而無需安裝複雜的可調進氣道隔板系統。


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和F-22的進氣道相比,蘇-57的斜切傾角更大,顯示出對高速性能的要求更高。另外從細節上看,F-22的菱形進氣道是帶2個圓弧過渡角的4條邊,而蘇-57的進氣道下方有2個比較小的切角,實際上是6邊形,也就意味著可能達到6波系,對速度的適應範圍可能比F-22要高。殲-20採用DSI鼓包,等同於無窮多波系。

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F-22和殲-20的進氣道都是縱向佈置的,而蘇-57的進氣道是橫向佈置的,三者的進氣口面積大體相同。

蘇-57的後機身要比前兩者扁平得多,機體不是很緊湊,迎風面積和溼面積過大增加飛行阻力,這和其它強調高速性的設計相矛盾,原因後文再分析。當然從隱身性、結構重量、可維護性等各種方面來說,無論是F-22還是蘇-57的加來特進氣道都要比F-35和殲-20的DSI進氣道要落後一代,仍然需要複雜、笨重且不隱身的附面層隔板和排氣系統。

俄羅斯至今沒有見到過對DSI進氣道的深入研究和實際裝機試驗報道,在這一領域沒有什麼建樹。進氣道大概是蘇-57最為人詬病的地方,"直筒設計沒有任何彎曲,直接看到風扇葉片,不隱身",這一概念深入人心都拜下面這張著名照片所賜:


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雪夜中簡陋的外場條件、穿著隨意的地勤人員,被閃光燈照得明晃晃的進氣道和清晰可見的葉片,共同烘托出一股濃濃的落伍感。但有時候眼見不一定為實!這張照片顯然是用相機上的閃光燈拍的,照明範圍有限,後機身隱沒在黑暗中還被一塊紅布遮擋了。如果換成白天的同一角度再看一下,情況就不一樣了。


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看出來有什麼問題嗎?我們先來看一看蘇-57的發動機位置。在現代雙發戰鬥機中除了英國"閃電"驚世駭俗的縱列布局外,蘇-57大概是最特別的了,在水平、垂直兩個平面上都是傾斜擺放的,可謂是"歪門斜道"。

地面狀態,蘇-57的發動機和地平面有2.5度的夾角,朝後上方傾斜,加上前起落架高度比主起落架矮,造成"翹屁股"的姿態:

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從上下兩個表面觀察發動機部位感覺也很不同,大部分仰視的照片上看進氣道就是一個直筒,但從少數俯視照片上明顯看得出發動機呈八字形向外傾斜安裝,和中軸線存在3.2度的夾角。


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以蘇-57機長20.1米為基準測量,兩個垂尾根部前端冷卻進氣口之間的寬度約為5.1米,按這個比例把長4.99米(連尾噴管)、直徑1.28米的AL-41F1發動機放入圖中,可以得出發動機最前端風扇暴露在進氣道中的大致面積:


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換一個側後的角度看是這樣的,藍色是入射雷達波的照射範圍:


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而上面那張雪夜圖裡的風扇葉片實際上是進氣道中部的雷達屏障,是一組固定不轉動的定子葉片,位置在主起落架支柱附近,和超級大黃蜂上的雷達屏障相似。

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再來看共青城廠房中正在組裝的蘇-57裸機部件,可以看到進氣道總成在進氣口後方約1米處就有一個明顯的橫向S型弧度,先向內收再彎向外側,之後的進氣道由方變圓以適應發動機風扇的形狀。雖然沒有F-22和F-35那樣完全遮蔽進氣道後段,這也足以說明蘇-57對進氣道隱身設計是有相當考慮的,並沒有放棄治療。


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因為蘇-57的機體寬而扁,發動機中間又佈置了等長的彈倉,垂直和水平方向都沒有足夠的空間對進氣道進行彎曲處理,將發動機在2個軸線上斜置其實也是一種變相的彎曲:進氣道不彎發動機歪。這可以說是一種無奈之舉,也是一種非常聰明的做法,再加上一個簡單的雷達屏障,以和蘇-27幾乎相同的進氣道容積做到了儘量減少風扇暴露面積,提升隱身性能的費效比非常高;而且天然形成橫向的矢量推力,利用兩臺發動機的推力差就可以改變飛行姿態。

蘇-57在地面的時候撅著屁股姿態怪異,但飛入空中後受到空氣動力的作用機頭會抬起,進氣道和發動機就變成水平進氣狀態了。

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其實F-22也是昂著頭飛的:


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機翼

要說蘇-57和蘇-27最不像的地方,那肯定是機翼了,翼型完全不同。蘇-27是帶邊條的後掠翼,機翼後掠角為42°,機翼和平尾後緣也是後掠。弧形邊條與翼身融合,但仍然是一個單獨的氣動部件,針對亞音速機動進行的優化,主要目的是在大攻角狀態下產生邊條渦系改善升力特性,併為進氣道整流。


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蘇-57顯然是完全不同的設計理念,採用切尖的菱形翼(後緣前掠的三角翼變種),翼梢後緣斜切以增大根稍比、減少誘導阻力,翼根處切角給平尾留出位置,和F-22的形式最為接近,比較好地平衡了隱身、機動性和航程等各方面的要求。


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但蘇-57的機翼後掠角和後緣前掠角又和殲-20相同,分別是48°和10°,F-22則是42°和17°,因為前兩者的發動機相對較弱,必須通過氣動外型來改善高速性能。

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蘇-57採用了和F-22一樣的邊條、進氣道、升力體機身一體化設計,前緣的兩段式稜線就起到了邊條的作用,和稜形機頭一起構成3個渦流發生器,可以產生強大的渦升力,適應超音速巡航和機動飛行。

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這個邊條面積比F-22更大,幾乎和主翼面積相同,機體、邊條、主翼的融合度很高,整個機體就是一個巨大的中央翼,具備很大的升力係數,翼載荷較低。這樣的設計有相當多的好處,在增加有效翼面積的同時減小了翼展(14.1米,蘇-27是14.7米),擴大了機體容積,和機翼組成雙三角翼構型能夠適應寬廣的速度區間,翼身融合更加平滑自然。

單就蘇-57的翼面佈局而論,它吸取了F-22和殲-20的優點又具有自己的特色:常規菱形翼佈局 + 一體化寬邊條渦流發生器 + 更大的後掠角,完全達到了五代機主流的氣動設計水平。

可動邊條前緣

蘇-57氣動設計上的最大亮點就是可動的邊條前緣,這是飛機設計史上的首創。目前只有印度的LCA艦載型有類似的設計,但LCA的可動前緣只能上偏,起到一定的力矩控制和減速板的作用,可動前緣之下還是F-18經典型那樣的皮托管進氣道,和蘇-57的功力相距甚遠。


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> 30年磨一劍的LCA"光輝"戰鬥機

從蘇聯時代到今天的俄羅斯,老毛子一向對鴨翼不太感興趣,純鴨翼佈局只有曇花一現的米格I.42和蘇-47,都沒有投產。蘇-33、蘇-30MKI、蘇-30SM和唯一一架蘇-37採用的是帶鴨翼的三翼面佈局,增加了重量、系統複雜程度和造價,性能提升並不顯著,到蘇-35和蘇-57藉助矢量發動機和飛控水平的進步已經能夠實現同等的機動性能,所以不再採用鴨翼。

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> 大仰角飛行中的蘇-30SM3

和鴨翼相比,邊條翼在不同仰角下都可以持續拉出穩定的邊條渦,結構簡單,不須維護。邊條最大的缺陷就是因為固定不可動而無法控制邊條渦的強度,不同姿態下氣動效率低於全動鴨翼。為此蘇霍伊設計局開創性地設計了一具可動邊條前緣,後側鉸接在進氣口上方,向下偏轉,面積相當大,首次令邊條具備了自適應變形的能力。

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這個可動邊條前緣可以產生多種作用:對邊條翼來說,它使邊條也可以主動控制渦系的位置和強弱,可以看作是一副極端近距耦合的全動鴨翼,增升和配平能力比單純的固定邊條要強,用最簡單、高效的方式融合了鴨翼和邊條的優點,顯著提高了氣動效率。

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> 同樣是大仰角狀態,這張圖中蘇-57的可變邊條前緣將拉出的渦流位置控制在機翼上表面,而上面那張蘇-30SM3的鴨翼必須下偏很大的角度以避免飛機產生上仰發散,拉出的鴨翼渦已經遠離機體

對進氣道來說,它就是一副可調斜板,和F-15那個著名的可調進氣道上唇作用類似,通過抬起和放下改變進氣口激波的位置,間接改變進氣口截面積,主動平順氣流,適應不同速度下進氣道的減速要求;配合多波系的加來特進氣道還省去了F-15進氣道內部複雜的三段式可調斜板結構。

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> F-15兩側進氣道上唇的不同位置,只能在地面維修時才能看到這種狀態

對隱身性來說,這副可動邊條前緣向下偏轉的幅度很大,最低角度時幾乎從正面完全遮蔽了進氣道,就好像在開敞的進氣口前撐起一把傘。這種把進氣道內部彎曲遮擋的手段搬到進氣口外的做法雖然有點匪夷所思,但實際使用中在特定的飛行條件下也會起到一定的隱身效果。


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小結一下,蘇-57的氣動佈局繼承了蘇-27系列的精華(翼身融合升力體機身、寬間距發動機佈局),借鑑了F-22的設計思路(一體化邊條、菱形翼),與殲-20在一些方面不謀而合(後掠角、全動垂尾),又創造出自己的特色(上翹的雷達罩、寬邊條、可動邊條前緣),整體氣動設計水平還是可圈可點的,比起韓國、印度、土耳其這些對F-22照單全抄的五代機設計要先進而實用得多。


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> 韓國的KF-X五代機方案,武器外掛版小F-22

當然氣動設計最複雜的還是殲-20,採用DSI進氣道 + 大型鴨翼 + 大邊條 + 菱形翼 + 全動垂尾的佈局,鴨翼面積超過蘇-57可動邊條前緣的一倍還多,而且是中距耦合,兼顧配平和增升,各氣動面都可以差動,依託超級複雜的飛控系統,它的亞音速和超音速機動性能比F-22和蘇-57還要高出一截。


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下一篇接著談談蘇-57的武器系統、彈倉和航電。


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