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【原创】绕树三匝,何枝可依——FC-31鹘鹰性能剖析,困局和出路

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一楼度娘
既然最近FC-31二点零版本出来了,那就抓紧时间码完这文吧


IP属地:广东1楼2016-12-25 14:35回复
    还记得在12年的时候,当大家还在沉浸于刚刚出现J20带来的兴奋与思考中时,一款五代机构型的机体包着厚厚的帆布招摇过市,引发了新一轮的讨论。在当年年底该款飞机进行了首飞,并且在仅仅两年后的珠海航展中首次对世人展示其原型机,并且进行了飞行表演。在此之后基本上国外像样的航展都会带上其模型进行参展。在16年珠海航展上原型机并没有参展,虽然中航的展馆里放置了有更多细节的大尺寸模型,并且配上了更为详细的说明视频,但就其技术细节看,其完成度距离一款有作战能力的飞机还有很远,风头更是被刚服役的亲儿子J20抢光了。
    种种迹象表面,FC31这个项目陷入了一个较为尴尬的局面,可能在开发资金和用户接受上出现了较大问题。多年以来参加多个航展,并未有哪个国家决定要投资联合开发的消息,所谓的自己装备更是没有任何影子,而fc31 2.0版本的原型机也就才刚刚曝光,还需后续版本的原型机去完善技术测试。到底是飞机本身设计有问题?还是市场定位有问题?还是技术力量薄弱?还是战术性能取舍方向错误?本文将试图从一个外围吃瓜群众的视角去探究一番,当然欢迎大牛带干货来打脸。


    IP属地:广东2楼2016-12-25 14:36
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      一、基本性能分析
      官方在今年的珠海航展以及早一些的北京航展公布过一个FC-31的性能指标板,不过两者有部分差异,为了避免漏项还是都贴出来比较好。


      乍一看最大速度1.8马赫,最大起飞重量25-28吨,载弹量8t,内油作战半径1250km,具备先进主动相控阵雷达、EOTS、单座双发多用途、隐身设计良好,高性价比,这样的飞机应该能满足包括中国空军海军在内的大部分国家空中力量的作战需求了,甚至美国的f35在某些指标上也不如FC31,按说这样的飞机不应该没人买才对啊?
      但是理想很丰满,现实很骨感,展板性能的确是高大上,但是按照目前手头上有的技术和子系统,真的能造出有这样性能的战斗机吗?
      很不幸地说,答案很有可能是否定的。或者应该这样说,可以做成一个满足航程和载弹要求的纯攻击机,或者是空战性能优秀的机场保卫者,但是要各项兼顾并且满足中国海空军指标的多用途机,只能说,臣妾做不到啊。
      以下开始对展板性能指标进行逐一分析。当然了作为一个吃瓜群众,是不可能拿出什么吹风洞啊之类的数据给你看的(有那些数据也不会给贴出来),只能拿出其他飞机的性能和基本法出来进行对比分析了。不过分析的过程中,还是会保持客观,避免各种不科学的猜测和估计,毕竟要按照基本法嘛。


      IP属地:广东3楼2016-12-25 14:38
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        机体尺寸:长17.3m,翼展11.5m,机高4.8m,常规气动布局,外形设计考虑低可探测性要求。
        这些没什么说的,也没有什么可以造假的地方,毕竟都是尺子可以量出来眼睛看得到的东西。
        就说说这个尺寸大概在同类机里边是什么位置吧。米国空军的F35A(海军舰载的C和陆战队的垂直起降B型尺寸有点不一样,由于鹘鹰是陆基机所以拿空军型的数据来看)长15.67米翼展10.7米高4.43米。F22机长18.9米翼展13.56米机高5.08米。J20据说长20.3m翼展12.88米高4.45米(不保证靠谱)。
        J20气动布局不一样先不说,就和F22和F35两款常规气动布局的飞机比较,可以发现FC31的尺寸大致在两者之间,比F35略大而小于F22。另外值得注意的是,FC31除了DSI进气道和F35比较接近外,其展弦比、后掠角、机身长宽比等指标极为接近F22原型机(当然量产版本的F22为了提高一点亚音速性能,把后掠角改小了),比F35这个同一公司生产的玩意更像亲儿子,这样在后边的分析中,可以用F22的某些特性来类推分析FC31的性能,对于我等吃瓜群众来说无疑是坠吼的。


        IP属地:广东4楼2016-12-25 14:39
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          正常起飞重量:17500kg,最大起飞重量25000/28000kg
          在猜测这两个数据的真实性之前,为了方便接下来的分析,我认为应该先估计下FC31按目前的外形和尺寸指标看,空重应该有多少。
          首先要找一个类似气动布局,大体同代,并且空重数据相对透明的机身来作为分析的基础。那么同样是常规气动布局,采用隐身设计、内弹仓、两侧DSI进气道、机体大小差不多、生产年代差不多,同样采用较为先进材料和设计,都是陆基战斗机的F35A,无疑是最佳的比对基础。
          目前能查到的F35A的空重数据普遍都写13.20T,不过也有消息说服役的版本经过工艺和设备上的优化,空重可以降低到12.1T。为了让后边推测出来的FC31空重好看一点,那还是用这个较低的数据好了。
          然而F35A采用的是单台F135发动机,而FC31采用的是双台RD-93或者传说中的WS13发动机,这是两台机最大的差别。为了方便计算采用数据公开的RD93的重量(WS13的重量和这货差不多,毕竟是仿制品),所以减掉一台F135发动机的重量1.67T,增加两台RD93的重量1.217T*2。目前计算的空重是12.864T。


          IP属地:广东5楼2016-12-25 14:40
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            然而这两款飞机毕竟有不少不一样的地方,其结构设备等重量必然有出入,因此要比对分析下。首先是FC-31可能比F35A轻的因素:1、FC-31没有强烈的对地攻击需求,不需要挂满弹药拉大过载,相应的机翼外侧挂架需要挂载重量较低,大架结构重量减轻。2、出于低成本原因FC-31没有装备F35和J20上那种光电分布式孔径系统,而只是有前向的光电探头,另外目前的版本看似乎雷达罩大小也略小于F35,按安装更轻的雷达来考虑应该有少量的减重。
            然后是FC-31比F35A重的因素:1、FC-31机体长度比F35A多1.63米,翼展多0.8米,高度高0.37米,既然大家都是用同样的铝合金钛合金碳纤维什么的做的,过载限制都是9G,那么更大的机体必然产生更大的结构重量。2、FC-31为双发机,因此包裹两台发动机的蒙皮面积以及相应的框架都会比F35更大,另外供油管道与油泵、油门控制等也需要多一套出来。3、FC-31出于对抗F35的需求,要比F35更加强调超音速状态下的高G机动性,因此相应的蒙皮、结构框架、气动舵面、液压作动筒等均需要加强。
            另外需要说明一下,材料方面,我兔掌握了使用激光增材技术去生产战机整体框架的技术,该项技术相对于传统的铸造或者锻压的工艺,可以获得比铸造更高强度和更低缺陷率的产品,或者形成强度与锻压接近,但能显著降低材料消耗量的复杂构件,因此该项技术有助于降低未来市场上的战机生产成本,获得价格上的优势,不过基本没有太大程度的减重。不过相对于美日而言,兔子的碳纤维等复合材料的制备工艺、生产规模以及实际运用相对落后,可能在FC31上用复合材料的比例会比F35等低一点。为了避免这方面的过度探究和撕逼,就不在材料运用水平上去讨论空重差异了。

            综合上边的因素,基本上可以认为FC-31比F35A刨去发动机的重量要多800-1200kg的样子,就先按1T来算吧。因此可以最终得出正常水平下生产的FC-31,空重应该是在13.864T的样子。当然随着以后的改良设备的升级,这个重量通常来说不会往下降,只会慢慢往上飙升,不过目前也不要讨论那么远的事情了。


            IP属地:广东6楼2016-12-25 14:42
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              然后可以看看正常起飞重量和最大起飞重量的数据有没有问题了。
              首先是正常起飞重量,按照以前苏联人搞出来的定义,正常起飞重量基本上就是一般空战状态下的重量,相信长期受到俄风熏陶的沈霍伊应该也是按那样的标准来出正常起飞重量的,也就是说机身有50%油、采用典型的空对空挂载下的整体重量。

              按目前的FC-31模型看,其典型空战挂载应该是内置4枚SD-10中距弹+机炮炮弹的样子,一枚SD-10空对空导弹是200公斤,加上挂架以及机炮炮弹的重量,武器弹药重量按1000kg计算(未来可能采用小直径的中距空对空导弹4+霹雳10出口版2的样子,不过重量应该差异不大)。
              另外飞行员本身重量以及其头盔抗压服等东西的重量100kg,战机空重13864kg。因此如果按正常起飞重量(空战状态重量)17500kg计算,此时的油量应该是2536kg。由于这时为半油状态并且未挂载副油箱,因此内油满油量应该是5072kg,即内油箱容积6400升。


              IP属地:广东7楼2016-12-25 14:45
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                那么,这个正常起飞(空战)重量17500kg到底靠谱不靠谱呢?这里需要看下FC-31目前装的发动机以及可能装的发动机的推力,并且计算相应的海平面高度空战推重比,再看其空战推重比数据是否符合其作战指标要求来判断。
                目前的原型机阶段使用的是两台RD93,单台推力8300kg,合计16600kg,空战推比为0.95。按照北京航展展板说的装88.29千牛(9000kg)的疑似WS-13A发动机,合计推力18000,空战推重比1.03。而如果安装传说中的WS-13E增推版本,单台推力9500kg,合计推力19000,空战推重比1.086。

                至于比这个发动机推力更大的暂时没有相关资料,毕竟到9500kg这个级别发动机推重比已经有8.5了,在接近的涵道比下,作为一款仿制RD93并且按推重比8大推技术来优化的发动机来说,基本上已经是极限了,要达到9或者以上的推重比,基本上意味着重新设计核心机,并且可能超巡等指标也需要加进来了。
                在目前集中力量堆出WS15之前(毕竟保证J20获得完全体战斗力更加重要),这个没有相应安装机型的先进中推项目恐怕进度不容乐观。当然如果有9推重比级别的发动机的话,空战推比就有会1.2左右的水平,算是很好看了,而且理论上可以有超巡性能,当然这是后话(说难听点这是在画饼)。


                IP属地:广东8楼2016-12-25 14:49
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                  从现代的四代以及五代战斗机的一般性能需求看,都需要较高的空战推重比,在进入空战状态下开足加力,以维持足够的爬升率、稳定盘旋、加速性等基础空战性能指标(当然五代机还需要不开加力达到较高的推比从而克服超音速巡航的阻力)。
                  一般来说四代机的空战推比的及格线是1.0,而普遍水平是1.1,而F15等标杆机型可以做到1.2的空战推比。按上边计算的指标看,如果采用RD93基础版本,FC-31的空战推重比根本没达到及格线;而采用目前版本的WS13A发动机,空战推比勉强及格;采用9500级别中推的话,算是达到四代机普遍的水平,不过距离四代机标杆级别还有距离,更加别说是F22这种五代机标杆了。
                  或者有人会说空战推比必须过1太苛刻,那就贴一下目前能看到或者能猜到的战斗机的推比数据吧:
                  典型四代机场保卫者和曾经的格斗王mig29,空战重量14900kg,两台RD33推力16600kg,空战推比1.11。
                  兔子主力中型机J10,空战重量12400kg,单台AL31-99m1发动机推力13800kg,空战推比1.11。
                  目前J20一切数据保密,按最保守的19吨、空重12吨内油计半、任务荷载1吨估计,空战重量26100kg,目前采用的AL31-99m2单台推力14780kg合计29560kg,也就是说就算是目前发动机瘸腿的状态下,某些人嘴里硕大笨重只配做轰炸机的J20,依然有1.13的空战推比,已经超过J10和J11的水平。

                  而全球网民黑得乐此不疲的F35A肥电,按空重12.1吨内油8吨武器1吨计算,空战重量17200kg,单台F135推力19300kg,空战推重比1.12。


                  IP属地:广东9楼2016-12-25 14:56
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                    从上边可得,按目前有的发动机来看,FC-31定的空战重量17500kg应该是合理而略微偏大的,毕竟最高的空战推比才1.086,虽说及格但是也没有超过一般四代机的水准,更加没有超过其所需要对抗的F35的水平。
                    要知道空战推比基本上就决定了爬升率、稳盘和加速性能的三大指标。而和推比没关系的瞬盘,作为常规气动没矢量推力的FC31来说,对常规气动并且展弦比更大的F35,恐怕也没有什么优势,而采用双发且翼展更大的FC31,对比单发的F35必然有更大的惯量,因此滚转一项指标也必然不如F35。
                    因此无论如何吹捧FC31,无论如何黑肥电,就目前的状态而言,FC31毕竟是采用两台典型三代发动机来推的,主要空战性能不如F35这种单台天顶星技术发动机的存在是客观事实,这也基本上是两台普通中推发动机所能设计出来的极限了。要实现所谓的吊打F35的状态,首先得等推比超过9的先进中推卫星落地了才行。而目前而言各种官八股航发路线图等均未看到传说中的先进中推的影子,恐怕这个卫星得等很久了。


                    IP属地:广东10楼2016-12-25 14:57
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                      你怎么知道的那么详细


                      11楼2016-12-25 14:58
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                        标题起得好!赞一个!用了曹孟德的诗句!将歼31比作乌鸦,描述其无用武之地的窘境!赞一个!
                        (图文并茂,持续更新!!!!!!!!!!!!!!!!!!


                        15楼2016-12-25 15:14
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                          内油作战半径:1250km

                          其实看到这里,稍有常识的读者都能发现,按正常的侧重空战多用途战机来设计的FC-31,这个指标是完全不可能实现的!其内油作战半径不大可能超过1000km,合理的水平应该是700-800km左右。负责任的说,这项展板指标至少注水50%。
                          换个方向来说,洛马公司宽展弦比砍了超音速性能、大内油塞成肥鹅,用单发大涵道比省油的F35A,在一般对地状态下也不过是1200公里不到的作战半径,沈霍伊一款用落后一代两台中推的空优机搞到比他作战半径还大,要是真的,洛马上下还是买块冻豆腐撞死算了。
                          好啦好啦,各位沈飞死忠请稍安勿躁,先看下下边的客观分析再作定论好吗?


                          IP属地:广东16楼2016-12-25 15:19
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                            首先,航空专业的复杂航程计算就不说了,我等数学差的积分不能,还是等专业人士来科普吧。不过这里有一个应该大部分吃瓜群众都能看懂的版本。

                            那先拿我们再熟悉不过的米格29君来验证一下这条公式的准确性,并且获取一些相关的计算系数吧。
                            首先是巡航速度,先按万米高空0.8马赫的飞行速度计算,这也是一般喷气战斗机巡航的速度。速度V=300(高空音速)*0.8*3600/1000=864km/h。
                            耗油率的话,RD33发动机在台架上的军推耗油率指标是0.77kg/kgh。不过上到万米高空,由于空气稀薄,空气流量和氧气含量下降导致推力降低,因此耗油率会比台架上高出一截,这里暂按0.95取值。
                            0.8马赫下的巡航升阻比,这项指标暂时没有查到,不过可以查到su27的巡航升阻比是12.6的样子。作为同样采用中央升力体气动布局的mig29,其展弦比要小一点,而且相对而言更加倾向前线机场截击和冲刺的,因此裸机巡航升阻比按11计算。
                            按刚才的14900正常起飞重量,机内燃油总量3500kg计算。起飞和爬升耗油计燃油量的20%,降落用油、燃油宽裕量、油箱无法清空的底油等计燃油量的14%。因此巡航开始重量为15950kg,结束为13640kg。
                            代入上边公式计算,得到的内油航程为1565km,查询米高扬官网可得,初期版本mig29内油航程为1500km,基本与计算结果吻合。


                            IP属地:广东17楼2016-12-25 15:21
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                              广告
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                              那么FC-31的内油航程应该是多少呢?
                              首先巡航速度的话,目前fc-31无超巡能力,按0.8马赫的高空速度不会有太大问题的,因此还是864km/h。
                              燃油消耗率没有数据,不过既然ws13是采用到某些推比8的大推技术来改良的,应该比那台富油燃烧就冒黑烟的RD33好些(虽然RD33的耗油率同比欧美水平并不高),何况有资料显示ws13的涵道比是0.67,比0.5的RD33大,因此应该耗油率略低,高空耗油率取0.9。
                              然后是升阻比,虽然FC-31的气动设计时间更加靠后,可以采用较多的增升技术。然而对比已经采用了中央升力体常规布局、大边条翼面的mig29,在展弦比以及后掠角等差不多的情况下,不会有更大的升力提升。相比较而言,FC-31无法忽略的内置弹仓、S进气道、外壳的隐身构型以及外刷涂料,均不可避免的造成阻力的增加。参考隔壁拍扁的su27的水平(下图),只要不设计成像F35这种的宽翼面丢土专机,其升阻比应该也就是T50的水平,因此按9来计算。

                              然后空重按13864kg,飞行员100kg,满内油5072kg计算(暂不计任务荷载,不过既然是内挂的,其实挂上去不会太大影响计算结果),巡航开始时为18021.6kg,结束时为14674.08kg。


                              IP属地:广东18楼2016-12-25 15:23
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