歼-6 发展始末
方方
原载《国际展望》
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设计特点 米格-19 虽然是第一代超音速战斗机,但本身具有明显的过渡型的特点。在前苏联以及装备该机的部分原华约国家空军中,该机并不占有重要地位,很快被米格-21 所取代。在中国空军中,虽然歼-6 在相当长一段时间内都是主力歼击机,并且航空工业部门也对该机进行了力所能及的改进,但由于米格-19 基本设计的局限性,加之大陆航空工业技术储备不足,使得歼-6 家族的性能水平仍未能取得明显突破。 总体布局 歼-6 的总体布局沿袭自米格-19,后虽经多次改进,仍无明显变化(除了强-5 这个衍生型)。该机总体布局特点是:机头进气,大后掠中单翼,低平尾,单垂尾加单腹鳍(歼教-6 为双腹鳍),单座双发。 事实上,这种布局并非米格设计局的全新创造,而是由米格-17 发展而来。如果我们把眼光再放远一点,就可以看到,从米格-15 到米格-17 再到米格-19,其总体布局其实是一脉相承。米格-15 堪称早期喷气式战斗机的经典之一,其布局比较合理且成熟。而米格-17 和米格-19 的出现,重点在速度的突破,沿用米格-15 的布局特点不足为奇。在第一代超音速战斗机中,美国北美 F-100、法国达索“超神秘”也分别沿袭了前身 F-86、“神秘”的布局特点。 从布局上看,米格-19 的设计思想非常突出:稳妥,超音速。当时米格-17 在某些特殊条件下已经可以突破音障,这是米格-19 沿用其布局的原因。新型轴流式涡喷发动机的问世为超音速提供动力保证,大后掠翼提供低阻力保证,这就是米格-19 超音速的基础。 不过,米格-19 的针对性太强(就是为了超音速),同时也由于苏联航空工业自身的技术水平以及装备研制思路等原因,该机并未采用更多的先进技术。就冷战初始的紧张情况来说,这一点无可厚非。而对中国薄弱的航空工业来说,在技术水平上没有明显超越米格-17 的米格-19 更容易仿制——但也正因为如此,我们没有从米格-19 身上学到更多的东西,这对中国航空工业的长远发展是不利的。
MiG-19S 三面图 机身 歼-6 采用全金属半硬壳结构,铝合金蒙皮。前机身截面为圆形,后机身逐渐过渡到椭圆形截面。 其机身设计有一个突出特点,即分为前后两大部分:前半段包括进气道全部直至发动机入口处(翼根末端),由此往后为可拆卸段,通过 4 个快卸螺栓连接。这一设计是早期米格机的典型特征,用意在于快速脱开后机身,方便对发动机及其附近系统进行维护。 图中进行后机身拆卸的是一架强-5,与歼-6 结构相同。摄影:江东 在当时来说,脱后机身的设计是合理有效的。不过这种设计最大的问题是拆装和维护发动机时相当麻烦,需要做很多无用功。随着时代的进步与技术的发展,这一设计已经逐渐难以适应现代战机的维护要求。但在没有其它设计可以参照对比的情况下,脱后机身的设计影响了中国数十年。直到研制 K-8 的时候,中方提出的仍然是传统的脱后机身方案,而外方提出的则是通过后机身蛤壳状舱门快速拆装的方案,而 K-8 最终采用了更方便适用的外方方案。由此可见米格的设计对中国影响之深。 歼-6 的后体设计也极具特色。双发飞机存在严重的后体干扰问题,由此带来的干扰阻力在飞机总阻力中占有较大比例,因此其后体设计一直是重点和难点。歼-6 采用了复杂的机尾整流罩设计,将双发喷管包裹其中。这种设计相当独特,不见于西方战机,即使在米格系列中也仅见于米格-19。但这一设计在中国却是影响深远。60 年代开始研制的歼-8 飞机,其后体设计就明显参考了歼-6 的机尾整流罩——原因无他,歼-6 是当时唯一可供参考的双发飞机后体设计的实物。甚至到了 1988 年范保罗航展,以 B-7 名称展出的飞豹模型,其后体仍然是这种设计。
歼-6 的机尾整流罩。摄影:以前 在歼-6 机身上看不到现代超音速战斗机上常见的“蜂腰”特征,也没有证据表明该机应用了跨音速面积律。在关于强-5 的资料中提及,该机是中国航空工业率先尝试应用跨音速面积律进行设计的机型——则其母型米格-19 必然没有采用这一设计。从时间上看,1952 年底 NACA 工程师理查德.T.怀特康柏和他的研究小组首先发现了跨音速面积律;而米格-19 的直系原型机 SM-2/1 于 1952 年 4 月就已出厂;与米格-19 血缘更近的 SM-9/1 虽然是 1954 年 1 月 5 日首飞,但实际是修改了后机身以容纳新发动机的 SM-2/1。因此,米格-19 不可能在其设计中应用跨音速面积律。同时代的 F-100 也没有应用跨音速面积律,不过 F-100B(即后来的 YF-107A)在应用面积律并采用多波系超音速进气道后,其最大速度急剧提高到 M2.25。 早期歼-6 仿自米格-19,沿袭其没有应用跨音速面积律的机身不足为怪(应用跨音速面积律进行设计需要综合考虑整个机体的横截面积分布,而非单独的机身,但在外观上表现最明显的则是机身的蜂腰——笔者注)。但研制歼-6III 之时空军提出的标准如此之高,沈阳飞机厂动的“手术”也不小(进气系统、机翼设计全都改了),为何没有应用效果较明显的跨音速面积律呢?有可能是因为时间要求的紧迫(从空军要求到总装仅仅用了 4 个多月)和改进设计的复杂造成了这一结果。 机翼 机翼设计是歼-6 最突出的特点之一,它是从米格-17 到米格-19 实现超音速跨越的保证,但歼-6 的发展潜力受限在很大程度上也是因为机翼设计,算是应了中国那句俗话:“成也萧何,败也萧何。” 歼-6 基本型的机翼完全照搬米格-19S,为大后掠角中单翼,翼梁采用 D-16-T 铝合金。翼展 9.19 米,翼面积 25 平方米,展弦比 3.38。采用高速对称翼型,相对厚度 8.73%(翼根)/8%(翼尖)。机翼前缘后掠角 58°,1/4 弦线后掠角 55°。 这种机翼由于后掠角相当大,已接近传统后掠翼的极限,此后除了变后掠翼飞机外再也没有其它机型在后掠翼上采用如此之大的后掠角。不过如果我们看看历史就知道,这个设计并非凭空创造,而是一个渐变的发展过程。早期米格-15 在吸收了德国航空技术(特别是 Ta.183)的基础上采用了 35°后掠翼,获得较好的高速性能。米格-17 的原型(I.330)是在米格-15BIS 的基础上采用新机翼(机翼内侧前缘后掠角 49°,外侧前缘后掠角 45.5°,相对厚度 8.8%)。米格-19 的原型机 SM-2(I.360)的机翼后掠角进一步加大到 58°,相对厚度仍与米格-17 的机翼相当,已经具有生产型机翼的特点。 不难看出,米高扬设计局是通过不断加大机翼后掠角,提高临界马赫数,以获得较好的高速性能直至超音速。但是后掠角太大,必然会带来诸如结构增重、机翼刚度、操纵面和襟翼效率、翼尖失速及其导致的自动上仰等一系列负面影响。 机翼翼型方面,仍然具有亚音速翼型的典型特征。翼型头部钝圆,有利于保持较大的前缘吸力,推迟附面层分离,但跨超音速时机翼前缘将产生较强的激波,严重阻碍飞机超音速性能的提高。而另一个关键参数翼型相对厚度,从米格-17 到米格-19 几乎没有变化。这表明,米格-19 完全没有应用从德国获得的另一项高速飞行的关键技术——薄翼型。由于超音速波阻的增加约与相对厚度的平方成反比,因此超音速飞机的翼型相对厚度一般选择在4%~6%。
歼-6 机翼翼型头部钝圆。摄影:以前 事实上 F-100 已经开始采用 45°中等后掠翼,相对厚度 7%左右的薄翼型。如果综合考虑米格-19 在后掠角、相对厚度方面的选择,只能认为,米高扬设计局在超音速方面走的是稳妥的路线——加大后掠角是已经过米格-17 验证且成熟的措施,但过大的后掠角必然产生结构强度、刚度等方面的问题,如果再采用薄翼型,由此带来的结构增重很可能令人无法接受。当年苏联究竟有没有完全消化薄翼型技术已经无从查考,但米格-19 没能采用薄翼型,其大后掠设计是一个决定性因素。 由于机翼后掠角太大,翼尖失速问题比较严重。为了解决这一问题,米高扬的措施是在机翼外段设置一对和翼弦等长、高 320 毫米的翼刀,以阻止附面层向翼尖堆积,推迟翼尖失速。这种设计简单,重量轻,但效果相当有限——采用同类设计的米格-15、米格-17 多次在战斗中失速进入螺旋,70 年代在歼-6 上频繁发生的螺旋事故,足以证明这一点。然而国内有些文章却宣称,米格-19 采用一对大翼刀就解决了翼尖失速问题,而 F-100 却要用到复杂的全自动前缘缝翼,由此得出结论:苏联设计师远比美国高明。这种片面的说法实在令人哭笑不得。就效果而言,自动缝翼比翼刀好得多。米格-19 的这个设计,既有传统设计思想的影响,也有技术水平的限制(在后来米格-21 的初期选型中,其 E-2 原型机才开始应用前缘襟翼)。对于中国来说,这种设计易于仿制,但同样不利于我们学习先进的航空技术——歼-12 设计之初曾考虑设置前缘缝翼,后来从简取消;到了 1990 年歼-7E 出现,前缘襟翼才开始实用化,而该机装备初期前缘襟翼仍然时毛病不断。
歼-6 巨大的翼刀。摄影:以前 机翼后缘内侧设有后退式襟翼,与米格-17 相同。这种襟翼除了具有单缝襟翼的优点外,放下时还可以增大机翼面积,进一步改善起降性能,但结构比较复杂,只能用于起降状态。后缘襟翼在起飞状态下偏角为 15°,着陆状态下偏 25°。机翼外侧为传统副翼,由于后掠角较大,副翼效率受影响。
机翼后缘后退式襟翼动作机构 歼-6III 改进的时候,机翼是改进重点之一。从现在公开资料的描述看,当年我们是试图通过调整机翼的关键参数来获得更好的超音速性能,不过这个改进实际上改变了原始的翼型设计。现在已经无从判断,当初到底是对机翼外形的修改导致了翼型的改变,还是对翼型的修改引起机翼外形的改动。如果是前者,那么表明我们航空基础研究已经有了一定的进展;如果是后者,则表明我们仍然处于利用试验手段进行改进的阶段(即先改动,验证了没有问题就沿用,有问题再修改)。从改进效果来看,歼-6III的高速性能有了一定的提高,但幅度有限,除了基本布局的局限性外,发动机推力不足是一个重要原因。 对歼-6III 的改进还导致了另一个意外的后果——飞机静稳定性减小。由于歼-6 采用大后掠翼,歼-6III 减小了翼展等于减小了重心后的机翼面积,导致飞机焦点前移,减小了静稳定度。对歼-6III 的批评中有一条就是“纵向操纵过灵”,这实际上是静稳定性减小的表现——因其导致飞机纵向操纵力矩变小,飞行员只需很小的杆位移即引起飞机俯仰姿态明显改变。第三代战斗机多利用这种设计来减小配平阻力,提高敏捷性,但对于连增稳系统都没有的歼-6III 来说,操纵起来将令人非常头痛。后来歼-6III 改延长前机身,其目的就是为了调整飞机重心,使之与前移的焦点匹配,保持适当的静稳定性。而同样采用歼-6III 机翼的歼-6IV,由于其机头安装了截击雷达,起到了调整重心的作用,反而没有见到类似的批评。 |
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