舊瓶新酒（二）——新/老蘇-35的氣動設(shè)計演進

中秋

從蘇-27S到蘇-27M

蘇-27是蘇聯(lián)80年代開始裝備的高性能戰(zhàn)斗機。蘇-27雖然是為防空軍設(shè)計的攔截機，但卻擁有足以與F-15對抗的高機動性，又保持了攔截機的大航程和重火力，體積、成本和戰(zhàn)斗力都要比同時代的米格-29高，是蘇聯(lián)空軍裝備的第一型重型戰(zhàn)斗機。

蘇聯(lián)在70年代開始研制的米格-29和蘇-27，都采用了翼身融合的高升力布局，但受到蘇聯(lián)當時飛控系統(tǒng)的技術(shù)能力制約，這兩型機也都沒有充分發(fā)揮邊條的增升作用。米格-29的邊條翼面積大，但邊條的邊緣較鈍，人為削弱邊條渦強度以降低機械增穩(wěn)飛行控制系統(tǒng)的技術(shù)難度。蘇-27采用了縱向多余度電傳控制系統(tǒng)，但當時蘇聯(lián)的模擬電傳控制精度不足，蘇-27采取了縮小邊條面積的方式控制渦強度，雖然降低了邊條的氣動增升效果，但與升力體機身組合后的氣動效果仍然不錯。

蘇-27是蘇聯(lián)航空兵同時期先進技術(shù)應用最廣泛的空戰(zhàn)戰(zhàn)斗機，大尺寸機體也具備非常大的發(fā)展?jié)摿?。蘇聯(lián)在80年代研制蘇-27改進型時，利用了70年代末期的氣動研究成果，以及電傳飛行控制系統(tǒng)的技術(shù)進步，開始為空軍研制高機動的蘇-27M，與蘇-27IB、蘇-27K和防空軍雙座型蘇-30組成了蘇-27第一階段的技術(shù)改進型，這些機型（蘇-30由MK開始）全部采用了增加前翼的三翼面布局。

前翼對蘇系列戰(zhàn)斗機的價值

蘇-27的綜合機動性相當不錯，但與西方中型戰(zhàn)斗機相比，格斗空戰(zhàn)中的敏捷性還有不足。蘇-27是空戰(zhàn)重量超過20噸的重型戰(zhàn)斗機，固有的性能局限是很難克服的，尤其是滾轉(zhuǎn)速率受氣動條件限制很大。

蘇-27M是專為空軍研制的遠程空中優(yōu)勢戰(zhàn)斗機，空戰(zhàn)性能要壓制北約2000年前可服役的主力戰(zhàn)斗機，重點強化全高度和全速度范圍的空戰(zhàn)機動性，雷達火控和武器也進行了全面改進。蘇-27M不僅要面對重型的F-15，還要與靈敏的F-16和“幻影”2000對抗，增強格斗機動性是改進重點。蘇-27作為發(fā)動機寬間距的重型戰(zhàn)斗機，想要和單發(fā)戰(zhàn)斗機拼滾轉(zhuǎn)是不現(xiàn)實的，但以蘇-27較高的升力性能和動力條件，也有依靠大迎角穩(wěn)定性和高俯仰速率獲取垂直向機動性優(yōu)勢的條件。新增的前翼則成為增加縱向敏捷性，提高俯仰配平和氣動控制效果的有效措施，增加前翼和增強邊條渦后升力中心前移，也有利于改善綜合機動性和配平前伸機頭重量。

國內(nèi)有個流傳很久的觀點，認為蘇-27M增加前翼是為了配平機頭新雷達的重量。不可否認的是前翼確實有“抬頭”的氣動效果，但蘇-27系列的前翼其實是型號設(shè)計的正常發(fā)展過程。根據(jù)公開資料的記載，蘇霍伊早在上世紀80年代初期，也就是蘇-27剛剛完成設(shè)計后不久的模型測試中，就根據(jù)空氣動力試驗結(jié)果認識到了增加前翼對提高機動性的作用。蘇-27增加前翼的設(shè)計方案在1982年前后就已開始，通過測試的十幾種三翼面布局，以邊條為基點的上置、前置和不同安裝角度的前翼方案，最終選擇了在邊條前段外側(cè)附加前翼的布局。蘇-27M的邊條前翼的氣動效能并不是最高的，但卻是在滿足不改變蘇-27S系列基礎(chǔ)氣動布局要求時，能夠選擇的風險與效果最協(xié)調(diào)的前翼方案。

至于說前翼是用來平衡雷達重量的觀點，完全不符合實際。蘇-27P/S配用的H001雷達的技術(shù)水平不高，采用了沉重的卡塞格倫結(jié)構(gòu)大口徑天線，是電子技術(shù)能力向需求妥協(xié)的產(chǎn)物。蘇-27M項目配套的H011雷達其實是T-10項目的預期配套設(shè)備，只是蘇聯(lián)電子技術(shù)水平難以滿足實用技術(shù)要求，才使這型雷達沒有與蘇-27S共同裝備。H011雷達的主機裝置比H001略大，但雷達天線的口徑則明顯小于H011，并采用了輕重量的平板縫隙天線，雷達的重量比H001降低很多。至于新增加伸縮式空中受油管，改進電子設(shè)備等措施的重量影響也并不大。作為對比依據(jù)，同時期為防空軍設(shè)計的蘇-30的配置與蘇-27M相似，并設(shè)置有機頭結(jié)構(gòu)重量更大的雙座艙，卻仍然維持著蘇-27UB的常規(guī)布局，可見前翼并不存在配平機頭的必然價值。

蘇-27M應用前翼的主要目的是增升，同時提供了大迎角狀態(tài)的氣動控制能力，效果也比較理想，但前翼畢竟增加了氣動阻力和結(jié)構(gòu)重量，并導致機體前段的結(jié)構(gòu)設(shè)計更加復雜，三翼面布局的雙刃劍效應很快被實踐所證明。

從710到711

蘇聯(lián)在蘇-27開始交付的同時，就在研究增加矢量推力的技術(shù)改進措施，并用蘇-27樣機測試了二元和軸對稱兩種矢量噴管。早期測試證明矢量推力的控制效果很好，在氣動面已經(jīng)不起作用的超大迎角，仍然能夠維持飛機足夠的配平和操縱效應。蘇-27M研制項目在蘇聯(lián)解體后開始放緩，已經(jīng)生產(chǎn)出的樣機作為出口項目推動，推力矢量作為戰(zhàn)斗機高機動性改進措施，也以出口目標為投資渠道進行應用研究，增加矢量的711號蘇-27M也被稱為蘇-37。

蘇-37是給蘇-27M/35預生產(chǎn)型增加矢量的樣機。相比同批蘇-35預生產(chǎn)型的技術(shù)狀態(tài)，蘇-37已經(jīng)放棄了實用裝備的系統(tǒng)完善性，而是通過三翼面與矢量技術(shù)的綜合應用，成為高機動/超機動控制技術(shù)的專用飛行驗證機。按照技術(shù)完善程度和飛行性能標準對比，蘇-37是蘇-35應用矢量技術(shù)的高機動驗證方案，重點研究矢量與氣動控制的綜合。蘇-30MKI則是直接利用三翼面與矢量成品，用以增強蘇-30雙座多用途戰(zhàn)斗機的機動性。受到技術(shù)成熟度與成品性能的制約，蘇-30MK的矢量與氣動綜合能力還處于簡單交聯(lián)標準。

蘇-37和出口的蘇-30MKI都采用三翼面和矢量，具備較好的飛行性能和部分過失速機動能力，但以飛行控制效果為目標去對比前翼和矢量，可以認為這兩項應用技術(shù)的功能大部分是重疊的。前翼是依靠氣動力矩實現(xiàn)俯仰控制，具備高響應速度和控制效果明顯的優(yōu)點，理論上可以實現(xiàn)60度迎角的氣動配平，蘇-35的飛行表演也體現(xiàn)出前翼具有很好的氣動效能。前翼的弱點則是增加了重量和阻力，偏轉(zhuǎn)翼面時渦的方向變化會影響到主翼，部分飛行狀態(tài)下的前翼渦甚至是有害的。

推力矢量的優(yōu)點是不需要改變飛機的氣動外形，依靠發(fā)動機推力偏轉(zhuǎn)輔助氣動控制面。推力矢量的作用只靠發(fā)動機的推力，對飛機飛行狀態(tài)變化的反應不明顯，推力偏轉(zhuǎn)對飛機的氣動效果影響也不大，也不會在氣動上形成明顯的阻力增量。矢量推力的弱點是增加發(fā)動機的復雜程度，矢量工作時不僅會削弱推力性能，矢量偏轉(zhuǎn)力矩的控制響應速度也比前翼要慢，簡單控制需協(xié)同動作的翼面也比前翼多。

綜合起來看，前翼的氣動控制效果是明顯的，但對飛機氣動的影響范圍較大。現(xiàn)代戰(zhàn)斗機改進中有多個增加可控前翼的方案，真正規(guī)?；瘧玫闹挥刑K-30MK系列，就是因為前翼布局對氣動和飛控的改變太多，只有在全新制造的機體上才能充分發(fā)揮作用，并需要提供專門的設(shè)計和保障、維護體系支持。矢量推力相對前翼的俯仰狀態(tài)控制效果相似，雖然響應速度略低，但不需要對機體進行大的改動，飛行過程中的控制應用范圍也更廣泛，后續(xù)技術(shù)發(fā)展的應用效果和作用范圍更大，自然也更便宜。

前翼有與無的內(nèi)在選擇因素

蘇-27系列設(shè)計指標中存在跨音速過載降低的結(jié)構(gòu)限制，這個問題的產(chǎn)生并不是體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)強度上，而是受飛機跨音速飛行狀態(tài)存在的振動，及操縱力矩非線性導致的過載突增的影響。前翼本身增加了飛機渦升力的強度，同時也為飛機提供了高響應速度的控制翼面。前翼控制面的氣動面積雖然不大，但處于翼面前端，氣動控制效果好，能隨飛行狀態(tài)變化為飛機翼面增/卸載，維持飛行軌跡和過載的線性平穩(wěn)，增加飛機在跨音速階段的可用過載。

前翼的積極作用很早就被認識到，但三翼面布局的飛行控制難度較大，依靠模擬電傳和增穩(wěn)系統(tǒng)不可能充分發(fā)揮氣動效果，反而容易因為各翼面相互配合不好出現(xiàn)矛盾。蘇-27很早就考慮采用三翼面，充分發(fā)揮前翼的積極氣動效應，但直到蘇-27K/M才將前翼實用化，就是得益于蘇聯(lián)飛行控制技術(shù)的進步。

按蘇霍伊設(shè)計局的設(shè)想，蘇-27采用三翼面可明顯提高升力性能，顯著增強飛行動作的控制精度和機動性，對敏捷性的提高也有積極作用。蘇-27M、蘇-27K和蘇-27IB都采用三翼面，但三翼面在市場推廣中的效果卻并不好，改動太大的方案也不適應俄羅斯緊張的經(jīng)濟。同時，蘇-27M時代還不成熟的推力矢量技術(shù)的成熟應用，也使蘇-27系列有了不改變氣動布局也能獲得大迎角主動控制能力的措施。

矢量VS前翼的效果對比

前翼的俯仰控制氣動效應與平尾相似，但常規(guī)布局飛機的平尾處于機體后方，受機翼的物理和流體遮擋。前翼位置緊靠機體，又處于正迎流方向，氣動面的單位面積控制效應遠比平尾高。為避免前翼迎角控制超過限制，前翼的氣動控制面相對較小，可用俯角也遠超迎角，還要利用尾控制面（平尾或副翼）配平，需要時靠氣動作用把機頭“壓”下去。

推力矢量的噴口軸線轉(zhuǎn)向的速度很快，但現(xiàn)有的矢量推力并不能形成直接控制力，而是要將推力矢量所形成的側(cè)向力矩傳導到氣動翼面上才會形成最終控制效果?，F(xiàn)有技術(shù)條件的推力矢量必須與氣動綜合，發(fā)動機噴管位置又處于飛機的最后方，在飛機動力控制中存在滯后性，效率不如前翼。常規(guī)布局戰(zhàn)斗機的前翼偏轉(zhuǎn)如能實現(xiàn)差動操縱，還能形成效率很高的滾轉(zhuǎn)力矩，有效緩解寬機身戰(zhàn)斗機滾轉(zhuǎn)速率低的弱點。

按照重量指標對比前翼和矢量。蘇-27M的前翼采用全金屬半硬殼結(jié)構(gòu)，翼面的重量在140千克左右，含電傳控制裝置的全系統(tǒng)重量不低于230千克，擴大前邊條的結(jié)構(gòu)重量也接近100千克，不含配平的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)總增重約340千克，前翼結(jié)構(gòu)重量大致是全機結(jié)構(gòu)重量的4%。蘇-27M的前翼雖然增加了前段機體的結(jié)構(gòu)重量，但前翼在正常飛行時可以形成正升力，并將飛機的靜不安定度由5%放寬到15%，有效改善絕大部分飛行狀態(tài)時的綜合機動性能。

蘇-27M設(shè)計時并沒有要求具備矢量控制，從701到710制造時也沒有考慮使用矢量發(fā)動機，直到被稱為蘇-37的711才開始正式應用推力矢量?；贏L31F所采用的推力矢量采用垂直向單軸對稱噴口，實用型號最初應用于印度引進的蘇-30MKI。按照現(xiàn)在已經(jīng)公開的技術(shù)資料，蘇-30MKI/蘇-37的推力矢量增重250千克，噴管的預期工作壽命在250小時。矢量噴管的壽命看起來比

發(fā)動機短很多，但正常飛行時并不需要頻繁使用。依據(jù)模擬器試驗的數(shù)據(jù)分析，空中優(yōu)勢戰(zhàn)斗機一個作戰(zhàn)架次飛行時間在80分鐘時，矢量噴管只會在空戰(zhàn)階段間斷使用約7分鐘，工作壽命對噴管正常使用并不存在大的影響，主要問題是矢量噴管的維護要求比較高，單元體更換的間隔也比加力段發(fā)動機艙短。

蘇-27M設(shè)計中采用純氣動控制，機體針對氣動變化的更改量很大。蘇30MKI則在實用前翼的同時應用矢量，雖然矢量還沒有綜合進飛行控制系統(tǒng)，但矢量增重緩解了前翼增重的配平壓力，不過全機更改量仍然不小，而無前翼無矢量的蘇-30MKK則最大程度保持了蘇-27S/UB的結(jié)構(gòu)以降低生產(chǎn)和維護成本，但機體結(jié)構(gòu)強度與壽命確實與新設(shè)計的蘇-30MKI存在明顯差距。

蘇-35BM的研制起點

蘇-27M是蘇聯(lián)航空工業(yè)力圖改善空軍蘇-27S性能局限的新型戰(zhàn)斗機項目。蘇-27M比蘇-27S更重視遠距離攻勢作戰(zhàn)的空優(yōu)性能，可為蘇-24/27IB和圖-22M進行遠程護航，自主和持續(xù)作戰(zhàn)能力都比米格-29M更強。蘇-27M采用三翼面的主要目的是增強機動性，前翼是高機動技術(shù)改進的核心，是在矢量推力還不成熟階段應用的技術(shù)措施。

蘇-27M在蘇聯(lián)解體后失去了裝備目標，出口市場沒有打開使項目最終停滯，俄羅斯航空兵只能繼續(xù)維持已經(jīng)裝備的蘇-27S/P。俄羅斯航空兵在過了經(jīng)濟最困難階段后，認識到在裝備時比較先進的蘇-27系列，到本世紀初已經(jīng)明顯落后于西方同類機型，雷達航電和武器的落后程度最大，而飛機平臺本身的整體性能還算合格。蘇霍伊集團利用出口蘇-27系列積攢的資金，并針對俄羅斯空軍裝備改進的需要，開發(fā)了以改進雷達火控為核心工作的蘇-27SM項目，并細分出SM、SM2和SM3這幾個針對不同改進范圍的方案。俄羅斯航空兵迫切需要更新老舊的蘇-27S/P機隊，但長期缺乏維護使現(xiàn)役飛機的狀態(tài)并不理想，能夠改裝的蘇-27系列飛機數(shù)量不算多，改造中結(jié)構(gòu)翻新的工作量也很大。如果以水平較高的SM2為標準實施改進，改裝機的投資效費比難以理想。

蘇-35BM就是針對新方案中雷達航電成本高、機體成本相對比例略低的實際情況，將機體的更改范圍降低到最低的標準，集中有限資源重點改善作戰(zhàn)系統(tǒng)的技術(shù)性能。蘇-35BM從蘇-27SM系列開始發(fā)展，就是一種單純的蘇-27改進方案，本來就沒在批生產(chǎn)飛機上應用的前翼，在新方案中自然不會延續(xù)。

蘇-27細長的尾錐限制了推力方向，矢量噴管只能在垂直向偏轉(zhuǎn)，提供的仍然是俯仰方向的控制力矩。單軸矢量噴管對俯仰控制的作用與前翼接近，響應速度比前翼低，但矢量噴管可以通過差動實現(xiàn)滾轉(zhuǎn)力矩，這個功能無法用純增升前翼實現(xiàn)，采用差動前翼則要面對復雜的氣動影響。

前翼能夠提供直接氣動控制效應，但前翼偏轉(zhuǎn)所形成的氣動影響較復雜，勢必要在部分飛行狀態(tài)時限制偏轉(zhuǎn)角度，削弱了前翼對整體氣動性能的積極作用。同時，前翼進行快速俯仰控制時產(chǎn)生的阻力較大，安裝前翼所增加的邊條也要增加阻力，致使用前翼控制時的能量衰減速度過快。蘇-27系列的動力性能本來就不算好，三翼面又會導致飛機的自重增加，前翼等于是用飛機的能量性能換取敏捷性。蘇-27的三翼面利用好了是利器，戰(zhàn)術(shù)動作不理想就會造成不利影響。

按照蘇-35BM的性能要求和技術(shù)特征，前翼和發(fā)動機矢量都是為了增強飛機的俯仰控制效能，均可以在垂直軸向提供較理想的操縱效果。蘇-35S采用矢量噴管后取消了前翼，選擇了與蘇-27S相同的傳統(tǒng)氣動布局。這種氣動措施是為了降低結(jié)構(gòu)更改幅度，同時也是因為俄羅斯矢量噴管經(jīng)過長時間的應用驗證，技術(shù)性能和可靠性已經(jīng)達到較高標準，能夠與氣動控制面共同組成綜合飛控系統(tǒng)。蘇-35S的矢量噴管重量大致仍然在200千克左右，遠離重心所要求的前機身配平系數(shù)在1.3，大致與新?lián)Q用的雷達和電子設(shè)備增重抵消。蘇-35S用矢量噴管的重量與前機身配平，結(jié)合增加的載油空間和強化的機體結(jié)構(gòu)，具備較理想的綜合飛行性能和有限的過失速機動性。

最終的選擇

蘇-27系列目前的型號改進雖然比較多，但都沒有脫離蘇聯(lián)時代的基礎(chǔ)，蘇-27M和蘇-37也是蘇-27系列改進技術(shù)的高端。蘇-35S雖然是最新改進型，但這個型號的裝備目標非常清楚，就是利用已經(jīng)在蘇-27/30系列上成熟應用的改進，用新制造的機體搭配上先進的航電和成品，在換代戰(zhàn)斗機裝備前補充現(xiàn)有戰(zhàn)斗機部隊。

蘇-35S是在蘇-27SM基礎(chǔ)上發(fā)展的技術(shù)改進型，同時期俄軍的重點裝備目標是換代的T-50，蘇-35S只被用來作為先進戰(zhàn)斗機服役前的過渡。蘇-35S的實際裝備地位與蘇聯(lián)時代作為主力的蘇-27M不同，這就限制了新技術(shù)和新裝備應用的范圍。同時，俄航空兵擁有龐大的裝備基礎(chǔ)，蘇-27系列的技術(shù)狀態(tài)雖已落后，但數(shù)百架飛機構(gòu)成的維護保障體系仍然完整，維護人員和備件供應也形成了系統(tǒng)。

蘇-35BM/S沒采用三翼面氣動布局不是因為前翼失去了氣動控制價值，而是因為矢量推力能夠替代前翼的氣動作用，維持蘇-27S氣動布局可以最大程度利用現(xiàn)有資源，機體制造所需的工裝和設(shè)備投資也最低。共青城蘇霍伊生產(chǎn)線的未來寄托于T-50，在此之前為蘇-35投入資源的遠期價值不高，生產(chǎn)線改造所占用的資金還會影響到整體資源的分配，削弱T-50的投資規(guī)模。共青城作為蘇霍伊的直屬廠，不會干這樣的蠢事。

蘇-35BM設(shè)計時的主要意圖就是生產(chǎn)新機體，以便在用蘇-27SM方案改造部分蘇-27S的同時，用新制造的蘇-35S替換掉壽命不佳的蘇-27S，改舊和換新針對的是蘇-27機隊不同的壽命狀態(tài)。蘇-35S采用以舊換新的裝備思想，必然會出現(xiàn)服役裝備混編的現(xiàn)象，蘇-35S與蘇-27S差異越小部隊熟悉速度就越快，現(xiàn)有維護體系中可沿用的部分就越多，裝備全壽命投入也就越少。

蘇-27M并沒有形成完整的批量生產(chǎn)線，蘇-33的前機身設(shè)計與蘇-27M相似，但缺乏訂貨的蘇-33生產(chǎn)線已經(jīng)被拆除。蘇-34的前機身氣動和結(jié)構(gòu)更改量過大，與蘇-27系列的前部機體幾乎沒有共同之處。蘇-30SM的生產(chǎn)廠是與生產(chǎn)蘇-35S的共青城相互競爭的，其生產(chǎn)的出口型蘇-30MKI就是三翼面布局，因此其依托蘇-30MKI的生產(chǎn)線所生產(chǎn)的蘇-30SM系列也采用了帶矢量和前翼的布局。總之，常規(guī)氣動布局的蘇-35S和三翼面布局的蘇-30SM都是適應各自廠家生產(chǎn)基礎(chǔ)的結(jié)果，這樣做各自所需投資最低。簡單的說，換成蘇-30MKI的生產(chǎn)廠來設(shè)計和制造蘇-35，絕對會是架三翼面布局的單座蘇-30SM！

常規(guī)布局戰(zhàn)斗機結(jié)合前翼形成的三翼面，對飛機的綜合性能有明顯的積極作用，但從蘇-27M的設(shè)計過程也可以看出，在已有機型上改裝增加前翼，前翼的氣動效果與全機氣動的綜合難度很大，相互的牽制使很多有利因素難以充分發(fā)揮，推力矢量對氣動干擾小的優(yōu)點則更易在實用中得到體現(xiàn)。

俄羅斯經(jīng)過蘇-27系列后續(xù)改進的應用研究，清楚認識到三翼面與矢量各自的優(yōu)勢，最新的T-50看起來雖然是常規(guī)氣動布局，但邊條前緣的大型可動翼面，事實上就是將獨立前翼綜合到機體上的措施。T-50的前翼與邊條一體化后，前翼偏轉(zhuǎn)的氣動效能雖然有所降低，但能把前翼渦與俯仰控制效應與邊條綜合，有效利用了前翼靠近機體和最先迎流的優(yōu)點，最大限度削弱前翼對主翼的消極影響。T-50融合前翼的大迎角氣動控制效應不如獨立前翼，但推力矢量可彌補氣動控制的不足，前翼的高氣動控制效應又能補償矢量響應速度的滯后，綜合效果比屋上架屋的蘇-27M更加理想。

作為最新改型的蘇-35S采用常規(guī)氣動布局，并不意味著前翼已失去氣動價值。綜合看，蘇-35BM方案中以矢量替代前翼，T-50把前翼融合到邊條內(nèi)，都是對氣動和控制綜合的過程中，對不同技術(shù)平衡的取舍。