coser哀子年龄:風洞的發明和应用

  YST：谈大陆的風洞与J-10战机

 
    甲. 漫谈風洞的發明和应用 轉自

 
    飞机设计有一個非常重要的设備，那就是風洞。随著飞机的速度越來越高，还有导弹和太空船加入飞行的行列，風洞就成了科学家设计飞行物必不可少的设備了。

 
    世界最早的風洞是英國人在1871年建造的，但是飞机的發明人却是美國的莱特兄弟。莱特兄弟在1901年建造了一個風速每秒12米的風洞，用它做实验發明了世界上第一架飞机。但是真正有系统地建造大量風洞的是德國人。

 
    1907年，德國的哥廷根大学成立了「哥廷根空氣动力实验院」，这個实验院的创辦者和主持人就是後來赫赫有名的普朗特教授（Ludwig Prandtl，1875~1953）也是流體力学的奠基人，被称為「现代流體力学之父」。普朗特认為研究空氣动力学必须做模型实验，於是在1906年建立德國的第一個風洞。接著在普朗特的领导下，德國耗费鉅資建立了一批低速、高速、超高速和特种風洞。

 
    普朗特善於观察同時也善於分析，成就他非常傑出的学術能力和学術贡献。普朗特的直观洞察能力使他深入瞭解物理本质，然後他傑出的分析能力再把物理本质用数学方程式概括出來，这样结合了物理性质和数学理论就奠定了流體力学的理论基础。當時的德國在流體力学，特別是空氣动力学上领先世界。根据这些扎实的理论基础和風洞实验，德國制造了V1和V2火箭还有世界第一個喷氣發动机。

 
    乙. 中國的風洞设備

 
    普朗特教育了一批高徒，其中一位傑出者叫冯卡門（Theodore von Karman，1881~1963），是流體力学的第二代掌門人。冯卡門也教育了一批高徒，其中一位傑出者叫錢学森，是流體力学的第三代掌門人。

 
    不過中國的第一個風洞不是錢学森建立的，而是清華大学在1936年自行设计的，直径1.5米。

 
    1936年，清華大学在南昌建造了直径4.5米的風洞，最大風速达到每秒58米。

 
    1947~1948年，清華大学在北平建造了横切面為椭圆形（0.762米x1.016米）的铁壳風洞，風速每秒40~50米。

 
    想想看，上個世纪的三０年代和四０年代中國是在战亂中挣扎，但是即使在如此艰苦的环境中我們的科学家仍然努力從事尖端研究，並沒入忘了知识分子對國家的责任。

 
    新中國成立後，在錢学森的指导下建立了一批现代化的風洞群，高速摄影机、高速计算机、各种应用软體等等现代化的设備一步步成套地建立。根据新華社2006 年的报导，中國建成各类風洞一百四十餘座，在風洞试验、数值计算、模型飞行试验等领域取得長足进步，空氣动力学的设備、技術和人才均跨入國际先进行列。

 
    2008年11月13日，中國空氣动力研究基地庆祝40周年，在纪念大會上基地负责人王希山介绍，该基地拥有52座風洞，是亞洲最大的風洞群，其中有八座屬於世界领先。風速從低速、高速、超高速构成衔接，能够进行從低速到24倍音速，從水下、地面到94公里高空，覆盖氣动力、氣动热、氣动物理、氣动光学等领域的空氣动力实验能力。研究的课题從各型战机、神州系列飞船、「和谐號」高速列车、还有上海三百多米高的東方明珠塔等等。

 
    设计和建造風洞不是一件简单的事，低速的風洞可以用風扇吹，超音速的風洞就需要用压缩空氣了，实验的時间只有幾秒甚至幾毫秒，困难的程度遠非一般人能想像。

 
    中國的風洞群完善的程度世界第三、亞洲第一，仅次於美國与俄國。

 
    美國与俄國的优势是風洞的直径很大，可以把整架飞机放进去。

 
    風洞设備耗資巨大，風洞实验也耗資巨大，尤其电力的消耗是非常惊人的。風洞的建立百分之百是為了设计飞行器的外型，風洞实验是设计任何飞行器的必經過程。

 
    譬如美國「哥伦比亞號」太空梭的外型设计在風洞实验上就超過三万小時，美國為了计算F-22菱形机身的空氣阻力系数进行了二十二种不同的風洞检测。想想看，这得花多少時间和金錢。

 
    中國的神州飞船和J-20战机也是一样，单是風洞实验就是一個巨大的工程。

 
    對隐形战机而言，風洞实验尤其重要，因為有些隐形的设计是以牺牲氣动性能為代价。

 
    设计隐形战机的外壳形状過程非常复杂，需要耗费极大的人力和物力，绝不是一件简单的事，也绝不可能“山寨”別人的成品。隐形战机的设计必须脚踏实地從理论计算、風洞实验、暗室测量反覆进行，一步都不能少，並且要留下详细記录。如果過程中有任何马虎，那麼當飞机制造出來试飞出现问题的時候，很可能连问题的源头都找不到，这还怎麼解决？

 
    丙. J-10的例子

 
    飞机是一個外形复杂的物體，它在高速飞行時所產生的种种问题非常复杂，不可能有理论模型，「風洞实验」可以解决大部份的问题，但是仍會有漏网之鱼。譬如中國J-10战机即使經過無数次的「風洞实验」，在试飞的時候發现机头部分有震动的情形，是「風洞实验」沒有看到的。最後解决的方法是在进氣口和机头下方用六個“小棍子”连在一起

 
    大陆很多网友最初以為六個“小棍子”是因為机身结构不够坚固所採取的加强措施，台湾也有网友也跟著發出惡意的批评说J-10的结构有问题。後來發现这些 “小棍子”其实是方向不同的薄片，它們的作用不是加固结构而是改變氣流的方向，避免引起共振。这個实际例子告诉我們设计战鬥机的外型是一個非常细緻和困难的工作，即使經過風洞实验也會有未發现的问题。

 
    丁. J-10B 的诞生

 
    任何战机都是不断改进的，譬如美國的F-18從AB型到CD型再到EF~G型，价錢也不断地攀升，最新的F-18EF价格接近一亿美元。每次改进只要机身有改變就一定要通過風洞试验，譬如F-18EF的机身是加長的。

 
    大陆的J-10战机也是一样，服役後改进的工作一直在进行，进行雷达与导弹裝置的升级。

 
    2009年04月，J-10B出厂了。從机首到机腹有非常顯著的改變下，一體成形、浑然天成，让世人佩服成飞的智慧与设计水平。

 
    J-10B不是小修改，而是包括外型在内的巨大改进。看到沒有？J-10A进氣口上面的幾根“小棍子”已經沒有了。J-10B的外型非常漂亮，但是更重要的是性能，YST 個人认為J-10B 的性能超過美國最新型的F-16CD〈可惜是载弹量与火力稍差了些〉，是三代机中的佼佼者，部分跨入四代机（机身有裝置了等离子隐身传导器）。

 
    J-10B 的主要改进如下：

 
    A. 进氣道

 
    进氣道的设计對高性能战机非常關键，因為战机在不同的高度、速度和姿态來飞行需要不同的进氣量进行燃烧，必须和發动机有紧密的配合才能得到最佳的燃烧效率，它直接影响飞机的动力，这不是一件简单的事，搞不好甚至會造成發动机空中停车，这是非常危险的事，高空啟动發动机有高度風险，很多飞行员因此送命。

 
    J-10B採用了最先进的DSI进氣道（又称“蚌”式进氣道），見圖。读者在J-10B的进氣口上方可以清楚看到一個鼓包，那就是“蚌”式进氣道的设计。这個鼓包的形状是可调節的，用來控制空氣的进口量。

 
    DSI进氣道有两大好處：

 
    a. 屏蔽了發动机的叶片，大大地降低了雷达截面和雷达特徵；

 
    b. 節省了进氣道和机身的隔片，J-10B因DSI进氣道减重一百八十公斤。

 
    DSI 进氣道是美國最早發明的，但是只用在F-35上而且是不可调的。中國立刻跟进而且将它發扬光大，成為可调的“蚌”式进氣道，提高了超音速飞行的效率。成都飞机设计公司已經把这种先进的进氣道成功应用在J-10、FC-1（「梟龍」）和J-20，比它的發明者，美國洛马公司，有更多应用的經验。

 
    Ｂ. 有源相控阵雷达（Active Electronically Steered Array，简称AESA）

 
    「有源相控阵雷达」一般被定義為四代战机的标準配備，J-10B已裝備了，所以J-20一定會裝備有源相控阵雷达。

 
    今天已經証实J-10B裝備了中國國產的相控阵雷达，顯然大陆计畫把这個先进的电子產品先在J-10B做实验。

 
    中國的周邊國家已經開始或即将换裝相控阵雷达，譬如法國的「阵風」、欧洲的「颱風」、俄國的蘇愷-35S、印度的蘇愷-30MKI、就连韩國的F-15K 都计畫要换裝美國的有源相控阵雷达，而日本早在2000年就裝備了自己研發的有源相控阵雷达，这些3.5代（西方标準）或後四代（俄國标準）的战机對中國构成威脅，無论是J-11B或J-10A的电子系统都面临压力，所以J-10B裝備了中國國產的有源相控阵雷达是很自然的事。

 
    相控阵雷达是一個非常重要的电子设備，YST将在下一篇作专题讨论。

 
    Ｃ. 超音速巡航

 
    大约一年前YST曾經看到报导J-10可以做短暂的超音速巡航（好像是15分鐘），YST猜想也许是试验新研發的涡扇-10II（WS-10B）达到的。

 
    不過中國大陆航空發动机的重點目标应该是「太行」，目前處於试量產与少量裝備情况。近來「太行」發动机出现在越來越多的國產战机J-11B上，甚至是特別强调将安裝在未來的舰载机J-15上，「太行」發动机的可靠性将一步步获得提升。

 
    J-10B的體型与空重只有8.6噸，都比F-16CD小，机身轻，如果裝備「太行」發动机肯定有能力进行長時间超音速巡航。

 
    D. 隐形

 
    J-10B在外型上有顯著的改變，网上泄露的消息是RCS降低了一個数量级。其实J-10A在设计的時候已經有隐身的考量（譬如翼身融合），RCS不會超過3m2。如果J-10B的RCS降低了一個数量级，那麼它的RCS就应该在0.3m2左右。依照YST的定義，RCS小於1的战机称為隐形战机，所以 J-10B可以列入低端的隐形战机了。

 
    戊. J-10B将成為一個低端的五代机

 
    2009年11月08日中國空军副司令员何為荣在接受中央电视台访问時透露，中國正“紧锣密鼓”地研制第四代战机〈J-10B、J-20〉，“可能很快要进行首飞，首飞又很快就进行试飞，很快就裝備部队。根据现在2011年的现况判断可能还有其他隐身战机将出现。

 
    这是解放军重量级将领當時在國营电台發表的谈话自然引起重视，中國的第四代战机立刻引起热烈讨论，亞太的势力平衡将被彻底打破云云，英國的【简氏防务週刊】根据现在的J-20模型甚至推测中國的新一代战机隐身性能和打击火力性能有可能局部超越美國的F-22和俄國的Su-35、T-50。

 
    中國大陆的武器研發一向行事低调，中國军方历來不喜欢说大话，竭力避免“中國威脅论”的出现。於是過了幾天空军有關负责人就出來灭火，解释说中國所谓的第四代战机是歼-10的一种改良型。當時这番灭火的话引起不少大陆军迷的失望。

 
    今天看來上面的两种说法都對，何為荣副司令员说的是J-20，後來空军有關负责人说的是J-10B。

 
    中國大陆的J-10就像美國的F-16，量產後的J-10每一批都不同，不断地修改和演變进行性能提升，现在已經顯露的徵兆是J-10B将滿足「４S」至少成為一种低端的四代机（俄國定義的五代机）。

 
    YST非常认同「成都飞机公司」这种做法，不追求极致性能，要求均衡發展或局部超越，始终把价格控制在能够大量生產的范围，战机要能够外消这才是正道。

 
    追求战机在某個特定方面的极致性能是非常不智的，譬如F-22在隐身羽综合战力上不顾一切的追求，导致成本吓人。战机作战不是一對一的单挑而是多方协同的作战。如果中美真正打起來，在空中预警机、卫星和各种导弹与長程地面雷达支援的复杂环境下，昂貴的F-22A對上便宜的J-10B未必具有优势，这要看双方战術与高尖技術的运\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\用〈就像美军F-18G咆孝者电战机用电战干扰F-22战机雷达後，逼近F-22，再用紅外追热导弹击落F-22〉。面對J-20的情况，F-22A的优势就更渺茫了。