从心神首飞谈日本四代机的五大看点

万磁王

东鹏昨日初梦醒，漫挑重帘看“心神”——从心神首飞谈日本四代机的五大看点
原作者：兵器迷的天空

　　2016年4月22日上午，日本首架自主研制的“心神”隐形试验机，代号X-2（以下简称X-2），编号001，在爱知县名古屋机场起飞。首飞约25分钟后，在日本航空自卫队岐阜基地着陆。

X-2试验机首飞

　　2000年启动预研的X-2，原名ATD-X，是Advanced Technological Demonstrator-X  Project的缩写，意为先进技术验证机项目X。是日本第四代战斗机的核心探索性项目。今天，就让我们来看看，世界第四个四代机研制国家的首飞机型，有什么看点。

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看点一、气动设计的隐身性
　　X-2采用菱形机头，进气道外侧内倾，梯形机翼、外倾垂尾。进气道、机翼前缘、水平尾翼前后缘设计成两组相互平行的线条，这符合飞机几何隐形设计中的边缘平行原则——“edge  alignment”。 因为入射雷达波在飞机表面爬行，爬行波遇到飞机边缘的几何不连续处，就会向外辐射电磁波，即边缘散射。这增大了飞机的雷达反射面积RCS，形成RCS峰值方向。如果各组翼面的边缘平行，雷达波的反射方向就很少（最少的钻石型设计只有4个），反射范围很窄，有利于隐形控制。
　　特别的，X-2没有腹鳍，这会进一步减少RCS提高隐身性。仅就这一点而言，比较双腹鳍的歼-20要好。当然，X-2的垂尾按比例看，似乎比歼-20要大，所以总体上X-2也未必占优。况且，歼-20采用双腹鳍设计的初衷，一方面，是在超音速飞行时能够增大航向稳定性；另一方面，在大迎角机动飞行时，垂尾被主翼的气流遮蔽，操纵效用下降。而处于“干净”的下洗气流流场中的腹鳍，能够有效弥补垂尾的不足，提高航向稳定性，防止飞机侧滑而进入尾旋，从而保待了大迎角下的机动能力和操纵品质。所以，X-2的大迎角机动性未必能胜过歼-20。

X-2的气动布局设计借鉴了F-22的很多元素

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　　看细节，X-2也有几个隐身设计的缺陷：
1 进气道与机身
　　首先，进气道内侧与机身之间有明显的缝隙，这对隐身是很不利的设计。

X-2进气道与机身之间有缝隙

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2 进气道布局
　　X-2的进气道，采用固定唇口，整体呈近似菱形，靠近机身是圆角，靠近外侧偏锐角，进气口内道向上弯曲到达发动机，避免雷达直接照射压气机叶片形成镜面反射。但这样的设计进气气流量不大，对超音速和大迎角的适应性稍弱。对比之下，歼-20采用的DSI进气道，无附面层隔道，无放气旁路系统，无机械运动部件，既可以减少RCS，也有利于改善跨音速和中低速性能。因此从总体上，X-2进气道的其隐身效果和进气性能比歼-20并不占优。

X-2的进气道设计

进气道上拱导致机背隆起，不仅能形成S外形，还能在机腹布置弹舱

X-2的进气口外形

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3 座舱位置

歼-20的单座座舱

　　从图上初步判断，X-2的机头高耸，比歼-20偏高。这也许是因为X-2是双座的原因，为了保证后座视野提高了座舱位置，但对隐身就不利了。
　　总体而言，X-2的气动设计在隐身上中规中矩，没有大的突破，与歼-20相比没有足够的亮点。

为了降低成本，X-2使用了很多现成部件，如T-4教练机的座舱盖和T-2教练机的起落架，这也就是为什么X-2是双座座舱盖的原因

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看点二、动力
　　在四代机的4S中，超机动性和超音速巡航都要靠发动机，因此我们来看看X-2的推力系统：2台XF5-1发动机。
　　XF5-1涡扇发动机，三级风扇，六级压气机，单级高低压涡轮。重量622公斤，加力推力超过5000公斤，推重比8.3。采用FEDAC全权限数字式发动机控制。1900K涡轮前温度绝对让人惊艳，足见日本发动机材料的先进。相比之下，AL—31F涡轮前温度只有1665K，WS10A也只达到了1750-1800K。这是XF5-1的一大亮点。

XF5-1结构图

XF5-1发动机样机

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　　XF5-1的另一大亮点是：采用了数字式折流板矢量控制。即发动机喷口尾部，呈圆周每120°角位置，各配置一片碳-碳复合材料的导流叶片，且每个叶片均有单独的动作装置驱动，通过偏转导流叶片向内、向外径向转动的角度，来引导发动机喷流方向的变化，提供俯仰和偏航所需的控制力。
　　流板技术起源于1970年代中期，德国MBB公司的飞机设计师沃尔夫岗•赫尔伯斯提出利用控制发动机尾喷流的方向来提高飞机的机动能力。1985年美国国防预研局和MBB公司联合进行了可行性研究，1990年3月，美国Rockwell公司、Boeing公司和德国MBB公司共同研制的在发动机尾喷口装有可改变推力方向的3块碳纤维复合材料舵面的试验验证飞机X-31出厂，并进行了试飞，其舵面可相对发动机轴线偏转±10°，在迎角为70°时仍能操作自如，并具有过失速机动能力。
　　折流板技术的优点是结构简单，折流板与发动机隔离，驱动设计的难度低。不需要考虑密封问题，烧蚀问题也相对容易。成本较低，适合对现有动力进行改造，而无须对载机和发动机做大的改动。事实上，美军后来在F-18上安装折流板进行了试验。
　　但XF5-1的折流板也有明显的缺点。

XF5-1的另一大亮点是：采用了数字式折流板矢量控制

与X-31的折流板设计相似，只是增加了锯齿边缘

F-18 HARV验证机也安装了这种偏流板

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1 结构重量较大
每片折流板导流片必须有相应的伺服动作机构，同时要在发动机上增加1条加强框，以固定在发动机机体上，另外一条加强框则直接固定在飞机机体上。

XF5-1发动机折流板结构示意图

　　有资料称一套折流板至少要增加150公斤左右的重量，X-2验证机2套就要付出300公斤左右的结构死重。不但气动配平难度加大，而且对超音速巡航不利。

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2 矢量推力效率较低
　　由于折流板与发动机间不密封，发动机尾部喷流从板体间泄露，矢量推力的效率降低。有资料称，每片导流叶片最大偏转角度为35度，气流方向改变最大角度大约只有15度。
　　从公开文献看，中国四代机将要采用的，是基于燃气密封的轴对称矢量喷管（AVEN），技术难度自然更大，但可靠性和效率也更高。网载国防科技大学2007年5月提供的陶瓷基收敛密封片经配装某矢量喷管进行台架试车，矢量喷管矢量循环数为1906次，陶瓷基收敛密封片无故障缺陷。涡扇型轴对称矢量喷管试车成功，说明该台热态试验件解决XX项关键技术的措施是成功的，使推力矢量喷管研究又跨上了一个新的台阶。但是，从歼-20的公开试飞看，尚未发现二元矢量喷管的实机安装。仅仅从这一点来看，称折流板是XF5-1的第二大亮点，并不为过。

X-2首飞时尾部折流板清晰可见

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　　当然，XF5-1也有一些问题。

1 推力太小
　　总共只有5000多公斤的加力推力，两台也赶不上一台J11的三姨夫，更不要说14吨的WS-10B。当然，作为全长14米，翼展9米，起飞重量8吨的X-2试验机，这样的推力也许够了，但如果真是型号动力，要负载所有油料、弹药和电子设备和2个飞行员，这样的推力实在太小了。同样因动力被诟病的J31，两台RD-93还有8000公斤X-2的推力。

2 推重比稍低
　　8.3，作为三代机的标准自然不差，但作为超音速巡航和超机动的四代动力，仍嫌稍低，能不能赶上目前太行改的水平存疑。不过歼-20是有WS15做足够想象空间的。而XF5-1的替身在哪里，可是一个很大的问号。