揭秘苏-27艰辛曲折的方案发展之路

万磁王

原作者：候知健  

从早期方案到失败的T-10验证机
　　米格-29和苏-27从项目研制的一开始，就都采用了双发动机设计。原因非常直接，就是双发动机可以提供更大的推力。而单发动机的优势：少一台发动机成本，机身结构制造成本较低，耗油等使用成本更低，维护费用较少等都不被当时军事经济体制的苏联所看中。不过虽然从最初就按照苏联中央流体院的规划方向，确立了发动机吊舱挂载在机身下方的布局路线，但具体怎么设计却未有定论，而是出现了多种不同风格的初步方案。

“F-15斯基”的涂装模型和风洞模型

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　　这些方案中出现了一个异类，就是“F-15斯基”。这是苏联在F-15详细情况曝光以后，在布局较为相似的米格-25气动基础上做的针对性方案。而它很快就被淘汰的原因也很简单，当技术路线高度相似的时候，最终的性能优势就取决于材料水平、工艺水平、机载设备能不能实现低重量小体积高性能等实打实的工业制造基础能力；而所有这些方面，苏联对美国都有着很大的劣势，这就不是单靠一副气动更先进的机翼能弥补回来的。
　　短暂的动摇以后，苏-27又回到了扁平机身与发动机吊舱的组合路线上；但是比起传统的大方块机身，扁平机身又有着自己的缺陷，这最终决定了苏-27后来的基本布局和尺寸。大方块机身的内部结构高度较大，安置各种结构和设备时空间利用起来比较方便；而扁平机身则相反，因此一旦整体尺寸过于紧凑，它的内部结构和设备安排设计难度就非常大，甚至是无法接受的。而苏联的机载设备又向来以傻大黑粗著称，当扁平机身需要足够大的高度时，它的长度和宽度也只能相应的大幅加大。

图为苏-27早期的发动机吊舱窄间距布置方案，由于尺寸过于紧凑，不利于内部设备和外部武器的安排而被放弃

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　　在另一个方案中，使用两个激波锥进气道的发动机吊舱就被隔开了，形成宽间距布置，这个时候和后来的T-10验证机已经很像了。在进一步加大发动机吊舱的间隔，并且使用效率更高、结构也更复杂的调节板进气道设计取代激波锥进气道以后，此时的T-10验证机基本奠定了后来苏-27的所有基本外形特征，只不过它看起来更圆润、机尾看起来更臃肿一些。

图中的方案才真正接近后来的T-10验证机和苏-27飞机

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　　T-10圆润的感觉来自于它机翼所采用S型曲线前缘的平面形状，在上世纪60年代这是气动研究中非常时髦的一个研究方向；实际上它的边缘是相当尖削而锐利的，这样才有利于减小激波阻力，并促使气流在大后掠角度的翼根边条处分离成高速旋转的涡流。从本质上说，S型机翼其实是在边条与三角翼/后掠翼的组合中，将边条与机翼的结合处以及翼尖刻意的用曲线修正成圆弧的结果。
　　这样做有两个原因，首先是避免边条与机翼处形成突然的转折，让涡流完全沿着前缘的走势向后拖出；这样可以避免出现一些无法预料、难以克服的问题，比如当飞行员拉动驾驶杆使飞机抬头到到某个角度后，飞机会不受控制的突然摇摆、猛烈振动等疑难杂症。其次是它实际上减小了翼梢（机翼最外侧一段）的后掠角度，这样可以在巡航时获得更好的升力表现。这些优点在60年代和之后的超声速飞机上其实得到了比较多应用，比如著名的协和号客机。

T-10验证机，注意机翼上有4条翼刀

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　　但是对于战斗机来说，S型机翼并不利于高机动飞行。因为边条翼中主要的涡流可以有两道，第一道来自边条的前缘，而第二道正是来自边条与机翼的交界转折点；在设计得当的情况下，这两道涡流体系可以形成良好的配合，大幅度提升对于机翼上表面气流的控制范围和强度。而S型机翼拉圆处理以后极大的削弱了折点处的涡流，总体的涡流增升效果要下降20%以上。其次翼根和翼梢段的曲线非常不利于安排前缘机动襟翼，而且翼尖也无法安置武器挂架或者电子吊舱——事实上T-10验证机上也确实没有这两个东西。

T-10验证机的起落架舱门兼做减速板

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　　T-10验证机在气动上设计的比较糟糕的地方还有不少，比如起落架舱门也是明显的瑕疵。起落架舱门兼做减速板会大幅度提升飞机起飞时的气动阻力；从而加大飞机的起飞距离，减小飞机的可用最大起飞重量。而对于降落过程来说，它和阻力伞相比能起到的作用又微不足道——而且它不能在飞行中使用。虽然从好处上看，它简化了飞机的液压系统和结构设计，帮助设计师偷懒的同时也提升了一些可靠性；但总的来说，这是一种在总体性能上得不偿失的做法。
　　如果说S型机翼与减速板设计都只是在利与弊之间取舍不当，那么T-10的尾喷管和发动机吊舱后段结构设计就是完全的毫无可取之处。T-10尾部采用的是引射喷管设计，号称可以通过发动机气流的引射作用实现减小机身尾部阻力的效果；在上世纪50年代曾经风靡一时，我国歼-8飞机就继承了米格-19（歼-6）上的引射喷管设计。

发动机段的包覆式承力结构和引射喷管会形成非常大的结构重量，而并不能形成性能上的收益。因此这种二代机技术在三代机中被淘汰

　　但实际上除了极为个别的状态，引射喷管的性能状态根本上就无法计算，只能非常勉强的依靠试验结果进行推定；设计上的预期收益其实是设计师过往经验和主观推测混合作用的结果，缺乏严谨的科学和工程依据。后来的研究进一步证明这种笨重的设计不仅没有明显的减阻效果，反而会损失一定程度的推力。这也是为什么第三代战斗机中再也没有型号采用这一设计的原因。

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最终发展为今天苏-27家族的T-10S验证机
　　在T-10遭遇的问题中，不仅有着气动设计、结构设计方面的效率低下；机载设备的体积超标、质量超重问题更是难以解决。比如仅雷达系统就超重了几百公斤，这不仅增加了飞机的总重量，更使飞机的重心比预先设计的范围要大为靠前。导致的结果就是飞机的平尾必须要偏转更大的幅度、形成更多的负升力才能完成拉起机头的动作、在平飞中维持飞机的平衡；而平尾的偏转幅度和最大速度都已经是限定好的，这就使飞机的操纵灵活性、机动性水平、航程都大幅度下降了。而雪上加霜的是，AL-31发动机的油耗也比预计的要高。
　　种种问题使T-10验证机在试飞中表现出来的性能完全无法让人接受，无论是机动性还是航程都远远不能达到要求，把飞机设计彻底推倒并重来一次就成为了必须要考虑的选择。但当时的苏联航空部领导和军队、包括T-10总师都不支持这样的做法：除了政治影响、面子问题，还有就是这个项目已经花了太多的钱，用掉了太多的时间了。

坚定无畏的西蒙诺夫。他手里拿的是米格-35的一个发展方案模型，这个设计在气动外形上的改变，是将机翼的后缘从后掠改为前掠为主；以克服后掠翼布局在跨声速区域进行大过载时会出现失控的缺陷——苏-27、米格-29的跨声速机动性能陷阱都是由此而来

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　　然而坚定无畏的西蒙诺夫和他领导下的志同道合者们，在1976年第一架T-10验证机才刚刚制造出来的时候，就在中央流体院的指导下研究并建立了新型气动布局并进行了大量的试验工作。西蒙诺夫在寻求航空部副部长西拉耶夫的支持时，面对“你确信无他路可走吗？”的疑问时，做出了这样的回答：“当然，我确信尽管也有其它途径——批量生产成百上千的平庸飞机，如果不打仗，谁也不会知道他们的平庸；但我们工作在艰难时期，这时我们的武器必须是水平最高的，因此没有其他出路。”
　　全新的方案仍然继承了T-10系列的编号，被命名为T-10S，设计工作在1979年全面展开；除了主起落架的轮胎和弹射座椅以外，所有的原始设计都被推翻了。但在后来的文献资料中对于T-10S的贡献分配上，苏霍伊设计局和中央流体院出现了严重的分歧。比如苏霍伊设计局声称T-10从一开始就确立了采用静不稳定布局、电传操纵系统的设计原则；而中央流体院则声称这些技术他们建议和帮助下的结果。
　　新的方案着重于以下几个方面展开：最基础的做法当然是首先在结构和设备上想尽一切可以减重的办法，尽可能在机身内扩展出“可以倒进煤油”的地方增加燃油容量。此外依靠电传操纵系统的硬件保障，使用静不稳定布局来大幅度改善飞机的巡航效率和机动性——尤其是超声速飞行下的机动性也是必须的措施。

T-10S和T-10的轮廓差异

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　　除了使用直线前缘的传统梯形机翼来取代S型机翼，并且加装前缘机动襟翼改善各种飞行状态下的升力表现外，T-10S还得想尽一切办法减低阻力。比如T-10S通过将前段加粗后段缩小、更换新座舱盖优化了机身的截面积分布，有利于超声速阻力降低；再加上其它的一些改动，T-10S的机身中部截面积减低了15%，这带来了跨超声速阶段阻力幅度达到18~20%的减少。
　　T-10S的新方案通过实际试飞证明是很成功的，而且也已经没有必要和多余的时间、财力再去做颠覆性的改动了，于是苏-27项目最终的基本设计就此确定了下来。这是一种兼顾了优良的高速能力和亚声速机动性，而且又具备卓越航程能力的重型战斗机——尤其是挂载武器、执行实际作战任务的情况下。

今天的苏-27

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为何苏-27会与米格-29长的如此相像？

上为苏-27三视图，下为米格-29三视图

　　很多对于战斗机不是特别熟悉的人，常常分不清苏-27与米格-29。这其中固然有不近距离接触实物，两者的尺寸差别很容易看不出来的原因；但更重要的是，它们的总体外形设计确实有很大的共同特征。这种现象的背后并非巧合，而是它们都是相同的指导方向下设计出来的产物。