苏-47/S-37“金雕”前掠翼验证机

万磁王

原作者：Armstrong
来自空翼

　　本文相关资料《英雄落寞——揭秘米格MFI战斗机发展史》
　　过去几十年来的武装冲突和战争已经表明只有夺取制空权才能赢得战争，而实现这一目标的关键因素是一个国家最先进的战斗机。
　　美国是第一个研制出第四代战斗机（老标准第三代）的国家，推出了大名鼎鼎的F-15“鹰”式战斗机和F-16“战隼”战斗机。苏联则针锋相对地研制了苏-27“侧卫”和米格-29“支点”战斗机，作战性能与美国战斗机相当甚至超出，例如与早期型号的F-16A相比，米格-29拥有中距空空导弹、红外搜索与跟踪（IRST）系统、头盔瞄准具（HMS），可在空战中对F-16形成压制。
　　表面上看美国在第五代战斗机的研制上再次领先，在1981年启动了先进战术战斗机（ATF）项目并最终研制出F-22“猛禽”战斗机。而俄罗斯直到21世纪初才开始未来战术空军战斗复合体（PAK-FA）项目，T-50到现在还没能正式服役。但实际上苏联第五代战斗机的研究早在上世纪70年代中期就开始了，为了研制能在20世纪90年代进入苏联空军和防空军服役的新一代战斗机、攻击机和战略轰炸机，苏联军方当时一口气启动了I-90（战斗机）、Sh-90（攻击机）和B-90（轰炸机）三大研发项目，可惜最后都未成功。

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苏联的第五代战斗机项目——I-90
　　这三个项目研究规模空前，有众多机构参加了理论研究和数据分析，试图预测未来作战飞机的发展趋势。在I-90项目中，至少有5个大研究院参加了理论探所和资料分析，根据对手国家的技术发展情况来制定I-90的任务需求和技术性能指标。其中苏联国防部所属的第30中央科学研究院（TsNII-30)及第2科学研究院（NII-2）负责制定未来战斗机整体性能要求，中央流体力学研究院（TsAGI）负责大致确定战斗机的外型尺寸和气动布局等，中央航空发动机研究院（TsIAM）负责提出先进发动机、进气道布局、尾喷管的基本构型，国家航空系统研究院（GosNII  AS）负责规划第五代战斗机的火控系统、武器、生存能力等指标。
　　I-90项目的正式研制工作启动于20世纪80年代初，苏联人为该机制定出“3S”指标，分别是：
　　-超机动性：必须能以至少60度的攻角（AOA）的持续飞行。
　　-超音速巡航能力：不开加力实现超音速巡航飞行。苏联人当时的想法是该机只在必要时才开启加力，从而增大航程。
　　-隐身：低雷达反射面积（RCS）和低红外特征。
　　此外飞机还需要装备新一代武器和人工智能架构航电，并具有很高的起降性能和可维护性，具有多目标超视距交战能力以及空战大离轴角全向攻击能力。
　　五代机的综合航电套件成为研制工作的优先重点之一，航电设计人员需要研究出全新的数据呈现方式，这不仅适用于导航（用于显示飞机的空间定位、坐标和地形），还用于真实呈现地面和空中的目标。
　　“态势感知”对五代机的航空电子设备而言是一个关键性能，制定了以下要求：
　　-以3D视觉和声音方式显示地面和空中威胁。
　　-显示友军的行动，使飞行员集中精力于优先威胁并知道哪些目标正被友军飞机攻击。
　　-显示武器和电子战（ESM）设备的状态。

当年西方对苏联下一代战斗机——“米格-2000”的猜测

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　　I-90项目被分成重型和轻型两种型号，并行研制。第一种是双发重型多用途战术战斗机MFI（俄语“多用途前线战斗机”的缩写），第二种是单发轻型战术战斗机LFI（俄语“轻型前线战斗机”的缩写）。重型战斗机装备有强大的远程雷达，能挂载大量导弹，轻型机则要在最大程度上实现与重型机的通用性。
　　I-90项目据苏联传统采用竞争模式进行，首先开始的是MFI竞标，各大战斗机设计局都提交了各自的重型方案。有趣的是苏霍伊设计局起初对MFI项目并不感冒，当时的总师叶夫根尼·A·伊万诺夫甚至拒绝参加该项目，他认为苏-27的现代化改型才是最适合苏联空军的90年代战斗机。伊万诺夫深信苏-27及其改进型在21世纪前都能保持先进性，历史也证明了他的正确性。
　　但在航空工业部部长伊万·西拉耶夫的命令下，苏霍伊设计局还是提交了自己的MFI方案。这是一种双发前掠翼设计，气动布局基于中央流体力学研究院和西伯利亚航空研究所的研究成果，在风洞测试中显示出了很高的敏捷性，在90度甚至更大攻角中仍能提供良好的稳定性和操控能力。

苏霍伊的S-22前掠翼方案

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　　雅克设计局也提交了一种鸭式三角翼单发双垂尾方案，机身具有明显的隐身外形，鸭翼和机翼都是双折线后缘，垂尾大幅外倾，前机身截面呈菱形，类似于洛克希德·马丁公司的F-22，发动机矢量喷管只能上下偏转。

雅克设计局的MFI方案

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　　雅克方案的单发成为了一个明显缺点，苏联军事专家认为多任务战斗机必须具备两台发动机才能保证生存力，因此雅克设计局的方案首先出局。
　　米格设计局的方案是一种鸭式三角翼双发双垂尾布局，具有超音速巡航优势，但在跨音速机动性上不及苏霍伊的前掠翼布局。

米格的MFI早期方案，两侧进气道布局

　　苏联空军最后选择了米格方案，原因很简单，一方面米格设计局是苏联空军战斗机的传统供应者，另一方面是米格方案的技术风险也比苏霍伊的前掠翼方案低。

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苏霍伊为什么采用前掠翼布局？
　　虽然米格设计局的鸭式三角翼方案在MFI项目竞争中胜出，但苏霍伊方案也成了备选，同时开始了研制工作。在苏联解体后，俄罗斯空军终止了对苏霍伊项目的支持，但该设计局并没有放弃这个前掠翼设计，自筹资金继续研制。这个决定在很大程度上要归功于苏霍伊总设计师米哈伊尔·西蒙诺夫的高瞻远瞩。后来S-37项目的负责人谢尔盖·科罗特科夫对此解释到：“虽然俄罗斯国防开支在90年代初期大幅削减，但苏霍伊设计局仍决定继续发现这种前掠翼发展，其出发点是必须维持先进的飞机制造技术。要知道，在战斗机技术的一代代延续中，即使是一步跟不上也会给独立研制先进战斗机的能力带来损失。德国、英国、日本的战斗机研制比美俄落后一代就是明证。”

在前掠翼上，机翼表面气流向翼根方向流动，正好与后掠翼相反，这提高了升力

前掠翼则完全不存在翼尖先失速问题，相反是翼根先失速，这意味着在大攻角下，前掠翼的副翼始终能保持有效操控

　　苏霍伊的工程师为什么要采用非传统的前掠翼布局呢？因为与后掠翼相比，前掠翼具有很多可贵的优点：
　　-升阻比更高，尤其在低速时。
　　-配平阻力低，使亚音速巡航升阻比更高，航程更远。
　　-升力更大，有效载荷更大。
　　-更好的低速操控性和起降性能。
　　-更低的失速速度，从而提高了低速飞行安全性。
　　-极佳的尾旋特性（几乎无法进入尾旋）。
　　-翼身连接后移创造出更大的机身内部空间，能从容布置内部弹舱，这有助于隐身。
　　-前掠翼布局能在宽泛的速度范围内保持稳定性，所以适应同样宽泛的任务剖面。

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前掠翼简史
　　前掠翼的历史可以追溯到20世纪40年代。世界上第一种前掠翼飞机是德国的荣克斯Ju 287四发轰炸机，其原型机（Ju 287V1  RS+RA）在1944年8月16日首飞。在荣克斯公司的计划中，Ju 287A生产型将能达到815公里/小时的最大速度。战争末期，Ju  287V2和V3原型机被苏联红军缴获，后在苏联组装后试飞。

世界上第一种前掠翼飞机是德国的荣克斯Ju 287四发轰炸机

其中第三架（LL-3）就采用了前掠翼设计，机翼1/4弦长前掠角45度

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　　战争一结束，苏联也开始了自己的前掠翼研究，研究把这种机翼用于高机动性战斗机设计的可行性。1945年，格罗莫夫试飞院的飞机工程师帕维尔·弗拉基米罗维奇·齐宾制造一系列火箭动力  验证机来研究未来战斗机的气动布局。这些验证机被一架飞机拖曳至高空，然后到释放进入俯冲飞行，在固体燃料火箭助推器的推进下加速到跨音速。其中第三架（LL-3）就采用了前掠翼设计，机翼1/4弦长前掠角45度。在1947年的测试中，LL-3达到了1150公里/小时的速度，即0.95马赫。
　　但前掠翼会出现气动发散现象，一时无法应用在实际设计中。当前掠翼飞机增大攻角时，外翼段会在气动载荷的作用下往上方扭转，这反过来进一步增大气动载荷，导致机翼变形量继续加大。于是飞机在特定空速和攻角下就会变得不稳定，如果此时空速进一步增加，施加在外翼段上的气动载荷会超过结构强度极限，最终折断机翼。当时的技术和结构材料并不能制造出合适的前掠机翼，如果一味增加强度，那么增加的重量也就抵消了前掠翼带来的所有好处。
　　所以直到上世纪70年代中期碳纤维复合材料（CFRP）问世后，前掠翼概念才死灰复燃。空气动力学家门在如何使用碳纤维制造飞机研究中发展出一种机翼刚度的计算办法，攻克了前掠翼的气动发散难题。使用碳纤维复合材料制造的前掠翼能通过调整碳纤维的铺设  ，优化机翼刚度分布，从而彻底消除外翼段的不良扭转。

前掠翼会出现气动发散现象

使用碳纤维复合材料制造的前掠翼能通过调整碳纤维的铺设优化机翼刚度分配，从而彻底消除外翼段的不良扭转

美国航空专家通过计算发现，如果把F-16改成前掠翼布局，转弯速率将提高14%，作战半径增加34%，起降性能提高35%

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　　巧合的是，美苏两国的研究机构在下一代战斗机研究中都评估了前掠翼设计。美国航空专家通过计算发现，如果把F-16改成前掠翼布局，转弯速率将提高14%，作战半径增加34%，起降性能提高35%。
　　格鲁曼公司在1981年开始研制Model  712（X-29A）前掠翼验证机，两架X-29A在1984年12月14日开始试飞。但不知何故美国没有沿这个方向继续发展下去，试飞结束后一架X-29A被移交给NASA进行气动研究，另一架被封存。
　　美国第五代战斗机仍采用传统的后掠翼设计，后掠翼的一个主要缺点是飞机在机动中翼尖会首先失速，随着攻角进一步增大，气流分离会不可避免地蔓延到整个机翼表面，除导致升力降低外，飞机会最终失速。前掠翼则完全不存在翼尖先失速问题，相反是翼根先失速，这意味着在大攻角下，前掠翼的副翼始终能保持有效操控。
　　前掠翼飞机的大部分升力由内翼段产生，这不仅降低了机翼的弯曲载荷，从而能加大机翼的展弦比，还提高的升力系数，降低了机动时的诱导阻力。而且大展弦比机翼还有增大航程的好处。
　　还有一点要指出的是，相对于传统的后掠翼设计，前掠翼飞机具有更低的前半球雷达反射面积。美国人把这个现象地利用在全球唯一量产的前掠翼飞行器——AGM-129空射巡航导弹上，从隐身原理上看，这是因为前掠翼前缘反射的雷达波被弹身遮蔽所致。

美国人把这个现象地利用在全球唯一量产的前掠翼飞行器——AGM-129空射巡航导弹上，从隐身原理上看，这是因为前掠翼前缘反射的雷达波被弹身遮蔽所致

　　考虑到上述所有优点，苏霍伊设计局的工程师们最终为自己的设计选择了前掠翼。这是一种具有一定隐身能力的超机动战斗机，内部代号S-32。不过这个代号之前已被苏-17“装配匠-C”使用过，再次使用的原因可能仅仅是为了迷惑西方情报机构。这个设计也获得了一个非官方绰号：Berkut（金雕）。设计团队在该机上大量采用了苏联最新的航空科技，如静态不稳定气动布局、新一代致动器和大型机身部件制造新技术。

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“金雕”的诞生
　　苏联最优秀的两个航空研究中心——中央流体力学研究院和西伯利亚航空研究所参加了S-32的气动研究，此外，中央流体力学研究院还对一个米格-23前掠翼模型进行了风洞试验，西伯利亚航空研究所也测试了类似的前掠翼苏-27模型。随着风洞测试小时的积累，S-32的气动布局逐渐成形。

中央流体力学研究院还对一个米格-23前掠翼模型进行了风洞试验，西伯利亚航空研究所也测试了类似的前掠翼苏-27模型