J20發動機不如F22 但機動性為何仍能與之對抗 | J20 VS F22 專題

J20從試飛到服役用的發動機都是WS10B。WS10B的中間狀態推力為90千牛以上，加力推力144千牛。而F22配套發動機F119 的中間狀態推力為105KN，加力推力155.7KN。從發動機的性能指標上來看J20似乎居於下風，難道J20就不能超音速巡航，機動性就不如F22了嗎？

首先，我們要知道一個基本的道理。戰鬥機之間的比拼是從系統頂層性能開始的，不是從底層零部件性能開始的。換句話說零部件性能最優有利於實現系統性能最優，但並不等於一定會實現系統性能最優。如果不能實現系統性能最優，那麼零部件的性能優勢就淹沒在系統中了。簡單的說，對於戰鬥機，超巡能力和機動能力既要看發動機性能也要看氣動設計，發動機性能好，但氣動不行，照樣超巡不了。典型的如F35，F135發動機是10個推比的，但是F35氣動阻力大，導致最大飛行速度也就1.6馬赫左右，超巡就別提了。

那麼J20的氣動阻力情況呢？我們來和F22對比一下。先看機身，J20和F22兩架飛機的機身截面形狀相似，尺寸也差不多，但F22為了獲得更好的視野加高了座艙下方機身，這會增加阻力。J20機身長度在20.5米左右，F22是18.9米。J20因為採用三維軸對稱矢量噴口，所以機身尾部阻力要大於F22，總體上J20整機長寬比更大，有利於減少超音速飛行阻力。再看機翼，J20的翼展在12.88米左右，F22在13.56米，J20翼展更小，而且J20機翼後掠角度更大，這樣波阻更小。J20機翼面積約為68平米，F22機翼面積為78平米，J20鴨翼面積也比F22平尾面積小，所以就水平翼面摩擦阻力來說J20佔很大優勢。然後是垂尾，J20採用全動式垂尾，面積只有F22一半左右，雖然多出了腹鰭，但即使兩者相加面積仍然要遠小於F22的垂尾，而且，J20垂尾和腹鰭後掠角度都很大，所以無論波阻、摩擦阻力都要比F22的垂尾小的多。最後，兩者在配平阻力上有本質差別，兩架飛機的氣動佈局完全不同，F22是常規氣動佈局，J20是鴨式氣動佈局。常規氣動佈局中平尾為了配平產生的升力是負的。為了產生負升力需要付出配平阻力的代價。而鴨式氣動佈局鴨翼和機翼的升力都是正的，完全沒有這個問題。從以上情況來看，在阻力系數上J20明顯佔優勢。

在網上我們經常聽到有人說，鴨翼最好裝在別人的飛機上，以此來證明鴨翼不好，不利於隱形。但實際上這句話跟隱形沒有一毛錢關係。這句話是美國F16的設計師在六七十年代講的，當時根本就沒有隱形飛機的概念，說這個話主要原因是因為當時的美國還沒有掌握鴨式氣動佈局，關鍵的技術障礙是鴨式氣動佈局有一個技術難點，就是鴨翼隨飛機迎角增大過程中氣動特性會出現非線性，簡單的講就是隨著機身迎角的增大，鴨翼的氣動特性不是連續穩定變化的，有時會出現突變，這就造成鴨式氣動佈局難以駕馭。後來一直到電傳操縱系統出現後才逐漸解決了這個難題，解決了這個問題之後，鴨式氣動佈局相對於常規氣動佈局的技術優勢就充分發揮出來了。八九十年代以後，世界各國研製的戰鬥機大都選擇了鴨式氣動佈局，如歐洲的陣風、颱風、鷹獅39和我國的J10、J20。波音公司設計的第六代戰鬥機最早是沒有鴨翼的，後來也增加了鴨翼。

那麼鴨式氣動佈局有哪些技術優勢呢? 首先，常規氣動佈局是有配平阻力的，而鴨式氣動佈局沒有這個問題。因為在常規氣動佈局中重心在前，機翼產生的升力在中間，平尾產生的升力在後。整架飛機要想保持平衡，平尾產生的升力一定是負的，為了產生負升力必然就會產生配平阻力。而對鴨式氣動佈局來說完全沒有這個問題，鴨翼產生的升力是正的，重心在中間，機翼產生的升力也是正的，三者達成平衡，不存在配平阻力問題。所以在氣動阻力上鴨式氣動佈局是有優勢的。

然後，鴨式氣動佈局有著非常高的升力係數，以J20為例其最大升力係數在1.9到2.0左右，而F22只有1.55左右。為什麼鴨翼的升力係數會高於常規氣動佈局呢？在評價戰鬥機機動性時常用的技術指標是單位面積翼載荷，在這方面鴨式氣動佈局佔據很大優勢。以J20為例，其機翼面積為68平方米左右，F22為78平方米左右。整架飛機的重量等於全機升力，全機升力等於機翼升力減去平尾升力，因為F22的平尾產生的升力是負的。而J20的整機升力等於機翼升力加上鴨翼升力。對F22來說產生升力的面積相當於F22機翼78平方米扣掉平尾的10平方米左右，也就是68平米左右。而J20產生升力的面積是機翼的68平方再加上鴨翼。而J20還沒加上鴨翼的升力面積就已經等同與F22的升力面積了，如果還要加上鴨翼的面積，那麼J20能夠產生升力的面積肯定是大於F22的。如果兩者要產生同樣的升力，那麼J20的單位翼載荷肯定是小於F22的。這就是為什麼鴨式氣動佈局的升力係數要高於常規氣動佈局的原因之一。

鴨翼渦和邊條渦耦合產生的強大渦流

鴨式氣動佈局高升力系數的另一個原因是對渦流的充分利用。第五代戰鬥機產生升力的不僅是水平翼面還包括機身。因為第五代戰鬥機基本都是升力體機身設計。對F22來說機身側面進氣道的外側邊嵴能夠產生一股渦流，這股渦流流經機翼上方會帶來額外的升力，同時在這股渦流擾動下，機身上表面空氣流速會加快，壓力會下降，機身上下壓力差會更大，這樣機身就能產生升力。而J20有兩個渦流發生器，一個是鴨翼，另一個是鴨翼和機翼之間的機身邊條，這兩者結合能夠產生更強大的渦流，因為鴨翼的展向尺寸比F22的進氣道側邊嵴尺寸要大得多，導致鴨翼渦尺寸更大，連機身邊條產生的渦流都比F22進氣道側邊嵴產生的渦流強大。而且鴨翼下方的氣流壓力大，在鴨翼渦流經機翼和機身上方時能不斷向渦流補充能量，使渦流的強度遠遠超過F22。J20的小展弦比機翼翼根部分更長，可以更充分的利用渦流的力量，機身也能夠獲得更大的升力，相對而言J20的單位面積機翼載荷就會更小。這也是鴨式氣動佈局的升力係數要高於常規氣動佈局的另一個重要原因。而且甚至可以適當減少機翼面積以減少阻力，以平衡發動機性能的不足。

鴨式氣動佈局的優勢也體現在瞬間盤旋能力上。對戰鬥機來說瞬間盤旋角度是評價戰鬥機機動性的另一個重要指標。戰鬥機在快速轉彎時都會將機身側傾，這就是在利用整機升力在水平方向上產生的分量來提供更強大的向心力，幫助戰鬥機獲得更小的轉彎半徑，既然J20的升力係數更高，產生的升力更大，那麼就更容易獲得小的轉彎半徑。我們知道飛機轉彎時還要藉助於垂尾來產生操縱力矩，雖然J20的垂尾相對於整機的氣動中心點要比F22的距離要短，也就是操縱力臂要小，但是仍然也通過儘量後置垂尾，加大垂尾後掠角度等措施進行了一定的補償，更重要的是J20採用了全動式垂尾，整個垂尾的面積比F22的方向舵面積大了一倍以上，所以最終，J20的垂尾能夠產生的操縱力矩要比F22大不少。然而事情還不僅如此，J20還有自己的獨門絕技，那就是鴨翼差動，鴨翼差動技術是從J10身上繼承過來的，如今已經運用的爐火純青了。通過鴨翼的差動也能夠產生水平方向上的操縱力矩，這個力矩也是比較大的。因為鴨翼到整機氣動中心點的距離很遠，所以操縱力臂就很長，導致操縱力矩也非常可觀，而常規氣動佈局是完全沒有這個能力的。

有人說了，F22還有矢量推力能力，但是要知道J20服役的時候也裝備了矢量噴口，而且是三維的，比F22的兩維矢量噴口更先進。這方面可以關注本號另一篇文章（J20發動機的尾噴口 | J20 VS F22 專題https://www.toutiao.com/i6681914474326131212/）。所以總體來說，鴨式氣動佈局讓J20獲得了很大的氣動優勢，可能有百分之十幾。這樣的優勢可以降低對動力系統的要求，配合目前裝備的WS10B發動機，J20仍然能夠獲得不低於F22的超巡能力和機動性（渦扇十五三步曲 | J20 VS F22 專題https://www.toutiao.com/i6681911676440150542/）。所以無論換不換髮動機，J20的空中機動性都能有效對抗F22，如果能換更大推力的發動機，那就是錦上添花的事情。