巅峰高地讲堂|F-22现身国产风洞？铸就歼-20超越基石，超级计算机立大功
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先进的风洞设施是先进战机的摇篮 ， 航空工业集团空气动力研究院是我国主要风洞试验基地之一 ， 是歼-10战斗机、AG-600大型水陆两栖飞机、C-919大型客机等项目的气动试验主力单位 。 数天前航空工业气动院迎来了成立65周年纪念日 ， 当天他们公布了一大批罕见的风洞试验照片 。
攻击-11大迎角试验
比如在FL-51风洞中进行非定常大迎角试验的攻击-11飞翼式隐身无人机风洞模型 ， 更令人意外的是一款双发隐身战斗机模型也在这座风洞中进行旋转天平试验 ， 该型战机两侧加莱特进气道特征告诉我们它就是F-22战机风洞模型 。
FL-51风洞中的F-22模型
在我国众多风洞试验任务中F-22不是唯一的外军战机 ， F-16系列战机也是常客 ， 正所谓知己知彼方能百战不殆 ， 重视情报工作向来是我们的制胜法宝 。
风洞中的F-16
通过高精度测绘制造的风洞模型 ， 结合各种渠道搜集的关键数据 ， 在风洞中进行充分详尽的吹风试验一方面可以汲取气动设计经验 ， 另一方面也可以更加准确地掌握对手机的飞行包线 ， 在未来战场相遇时飞行员就能对症下药 。
F-22模型在FL-51风洞中进行动导数试验
歼-20作为我国第一款低可探测性隐身战机其首飞年份甚至比北方的苏-57还晚了整整一年 ， 然而该机从2011年年初首飞至2015年年底首架量产机下线只用了短短五年时间就完成了研制工作 ， 并于次年正式进入人民空军现役装备序列 ， 使得我国成为全球唯二拥有隐身战斗机的玩家 ， 就试飞周期来看歼-20也是全球隐身战机用时最短的机型 。
2001号歼-20验证机
为什么我们可以在如此之短的时间内拥有歼-20 ， 而苏-57在早首飞一年的背景下直到今年8月才进入现役（比歼-20晚了整整3年）？
正所谓工欲善其事必先利其器 ， 先进战机与其说是设计出来的 ， 倒不如说是风洞吹出来的 。
歼-10战机风洞测试
以歼-10战机为例 ， 该机在首飞前经历过的风洞吹风试验就高达七千余次 ， 上世纪八十年代初夭折的鸭式布局战机歼-9也有多达十几款气动布局进行了数千次吹风测试 。
为了满足日益旺盛的航空研发需求 ， 除了航空工业集团布局东北的气动设计研究院 ， 我们在大西南地区也建设了一座世界级的风洞群 ， 低速风洞、高速风洞、超高速风洞各型吹风设施应有尽有 。
大西南世界级风洞群的冰山一角
该基地还配置有一座运算能力达1590万亿次的超级计算机 ， 它可以处理多学科优化设计所需的大量正问题计算 ， 优化风洞试验 ， 与试验结合 ， 生成完备、可靠的气动数据库 ， 还能实现数字仿真、气动/飞行性能评估 ， 与作战环境的仿真 。
1590万亿次高性能计算机系统
很多人以为风洞速度越高越好 ， 实际上并非如此 ， 比如高超音速激波风洞对于研发战斗机而言用途基本不大 ， 反而低速风洞使用频率最高 。
歼-10战斗机就曾多次现身FL-13低速风洞 ， 该型风洞试验段尺寸宽8米、高6米、长15米 ， 能够进行飞行器大迎角试验、颤振试验 ， 甚至长征七号、长征五号等多型运载火箭的地面风载试验也在这里进行 。
长征五号地面风载试验
得益于充分的风洞试验 ， 加上设计人员的匠心独具 ， 以及我国工业水平的大幅度提高 ， 布局一系列先手棋的歼-20战机才能这么顺利地进入现役装备序列 。
天下武功 ， 唯快不破 ， 速度就是歼-20布局的一个先手棋 。 超音速巡航是四代机典型特征之一 ， 关于该机能否进行超音速巡航一直以来是人们讨论的热门话题 。
动力强劲板砖也能上天 ， 动力不足 ， 气动来补 ， 这句话常常被拿来形容战斗机的设计研发工作 ， 但是为什么不可以让气动与动力二者兼得？歼-20对此作出了自己的创新 。
歼-20最大速度2.5马赫
在2018年8月出炉的《军人一分钟》官方宣传视频中首次披露 ， 歼-20时速可达3120公里 ， 换算成音速就是2.7马赫 ， 实际上是视频编辑错误地计算高空与低空的音速数值 ， 纠错后的数据显示歼-20依然可以达到2.5马赫 ， 与之对比配置F-119四代涡扇发动机的F-22猛禽战斗机最大速度也仅有2.25马赫 。
气动布局的优势显而易见 ， 从俯视角度看歼-20对比F-22、苏-57等战机 ， 机身显得更加修长 ， 使其机身横截面积更小超音速飞行阻力更低 。
歼-20机身比例更为修长
飞行员张昊曾这样形容歼20 ， 我们这个歼-20战机机动能力特别好 ， 这个飞机我们当时就形容 ， 就叫静如处子动如脱兔 ， 就是在亚音速下也不错 ， 一进了超音速就是它的天下了 。
简而言之就是歼-20在兼顾亚跨音速机动的同时有很强的超音速机动能力 ， 但是细长机身条件下如何获得足够升力从而实现灵活机动呢？
飞行员张昊点评歼-20
总师杨伟表示 ， 通过歼-20的研制我们引领了技术发展 ， 在世界上独创了歼20的升力体边条鸭式布局 ， 使得飞机既有很好的隐身性能 ， 又有很强的超音速和机动飞行能力 。
飞机进行超音速飞行时升力中心后移 ， 而机身重心不变 ， 因此产生一个向上仰起的抬头力矩 ， 传统布局飞机通过水平尾翼进行超音速配平的阻力更大 ， 而鸭式布局将水平尾翼前置部署 ， 可以更轻松地完成超音速升力中心与重心的配平 ， 这就是歼-20选择鸭翼的需求出发点 。
鸭翼的超音速配平阻力更小
传统鸭式布局前翼安装位置通常高于主翼 ， 目的是为了利用鸭翼脱体涡流提高升力系数 ， 从而增强静不稳定性 ， 提高飞机的控制能力 。
但对于四代机而言这套增升措施显然就不够了 ， 因为后者不仅要有较强的亚跨音速升阻比 ， 也要有更强的超音速飞行性能 ， 通俗点说就是兼顾速度与机动两大矛盾性需求 。
歼-10鸭翼位置高于主翼
歼-20采用基于翼身融合的上单翼 ， 使其与鸭翼处于同一水平位置 ， 从而形成升力体布局 ， 但如此一来会弱化鸭翼的增升效果 ， 怎么办？
位于鸭翼与机翼之间的边条翼就是关键 ， 三大翼面合力形成了一种独特的升力体构型 ， 这样一来整机升力系数不仅大大优于传统翼身融合布局飞机 ， 也优于传统鸭式布局 。
歼-20脱体涡流清晰可见
这张照片将歼-20对脱体涡流的利用展现的淋漓尽致 ， 脱体涡流是由于机翼上下表面压差形成的流体横向运动 ， 因为飞机的纵向移动使得脱体涡流呈螺旋状向后移动 ， 脱体涡流与主翼附体涡流会形成有利干扰 ， 进而改善主翼流场 ， 达到增升效果 。
为了利用鸭翼脱体涡流增升 ， 歼-20鸭翼采用带有上反角的设计 ， 边条翼又进一步增强了脱体涡流 ， 最终抵达机翼 ， 进一步延迟脱体涡流的破裂 ， 可以说歼-20凭借当今世界最高水准的升力系数以及极强的超音速飞行性能 ， 已经占据全球战斗机气动设计的顶尖席位 。
边条翼鸭式布局出色的升力系数
随着换装国产发动机的歼-20研制试飞进度渐入佳境 ， 一款完美战机即将呈现在世人面前 。
换发试飞
【巅峰高地讲堂|F-22现身国产风洞？铸就歼-20超越基石，超级计算机立大功】令人感慨的是升力体鸭式边条翼构型早在21世纪初期就已经成形 ， 而天才的战斗机设计只有植根于强大国家的工业链条才能得以诞生 。 歼-20的诞生不仅有世界顶级风洞群的辅助设计 ， 也有千万亿次超级计算机加速研发进程 。
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