舊瓶新酒（二）——新/老蘇-35的氣動設計演進

中秋

從蘇-27S到蘇-27M

蘇-27是蘇聯80年代開始裝備的高性能戰斗機。蘇-27雖然是為防空軍設計的攔截機，但卻擁有足以與F-15對抗的高機動性，又保持了攔截機的大航程和重火力，體積、成本和戰斗力都要比同時代的米格-29高，是蘇聯空軍裝備的第一型重型戰斗機。

蘇聯在70年代開始研制的米格-29和蘇-27，都采用了翼身融合的高升力布局，但受到蘇聯當時飛控系統的技術能力制約，這兩型機也都沒有充分發揮邊條的增升作用。米格-29的邊條翼面積大，但邊條的邊緣較鈍，人為削弱邊條渦強度以降低機械增穩飛行控制系統的技術難度。蘇-27采用了縱向多余度電傳控制系統，但當時蘇聯的模擬電傳控制精度不足，蘇-27采取了縮小邊條面積的方式控制渦強度，雖然降低了邊條的氣動增升效果，但與升力體機身組合后的氣動效果仍然不錯。

蘇-27是蘇聯航空兵同時期先進技術應用最廣泛的空戰戰斗機，大尺寸機體也具備非常大的發展潛力。蘇聯在80年代研制蘇-27改進型時，利用了70年代末期的氣動研究成果，以及電傳飛行控制系統的技術進步，開始為空軍研制高機動的蘇-27M，與蘇-27IB、蘇-27K和防空軍雙座型蘇-30組成了蘇-27第一階段的技術改進型，這些機型（蘇-30由MK開始）全部采用了增加前翼的三翼面布局。

前翼對蘇系列戰斗機的價值

蘇-27的綜合機動性相當不錯，但與西方中型戰斗機相比，格斗空戰中的敏捷性還有不足。蘇-27是空戰重量超過20噸的重型戰斗機，固有的性能局限是很難克服的，尤其是滾轉速率受氣動條件限制很大。

蘇-27M是專為空軍研制的遠程空中優勢戰斗機，空戰性能要壓制北約2000年前可服役的主力戰斗機，重點強化全高度和全速度范圍的空戰機動性，雷達火控和武器也進行了全面改進。蘇-27M不僅要面對重型的F-15，還要與靈敏的F-16和“幻影”2000對抗，增強格斗機動性是改進重點。蘇-27作為發動機寬間距的重型戰斗機，想要和單發戰斗機拼滾轉是不現實的，但以蘇-27較高的升力性能和動力條件，也有依靠大迎角穩定性和高俯仰速率獲取垂直向機動性優勢的條件。新增的前翼則成為增加縱向敏捷性，提高俯仰配平和氣動控制效果的有效措施，增加前翼和增強邊條渦后升力中心前移，也有利于改善綜合機動性和配平前伸機頭重量。

國內有個流傳很久的觀點，認為蘇-27M增加前翼是為了配平機頭新雷達的重量。不可否認的是前翼確實有“抬頭”的氣動效果，但蘇-27系列的前翼其實是型號設計的正常發展過程。根據公開資料的記載，蘇霍伊早在上世紀80年代初期，也就是蘇-27剛剛完成設計后不久的模型測試中，就根據空氣動力試驗結果認識到了增加前翼對提高機動性的作用。蘇-27增加前翼的設計方案在1982年前后就已開始，通過測試的十幾種三翼面布局，以邊條為基點的上置、前置和不同安裝角度的前翼方案，最終選擇了在邊條前段外側附加前翼的布局。蘇-27M的邊條前翼的氣動效能并不是最高的，但卻是在滿足不改變蘇-27S系列基礎氣動布局要求時，能夠選擇的風險與效果最協調的前翼方案。

至于說前翼是用來平衡雷達重量的觀點，完全不符合實際。蘇-27P/S配用的H001雷達的技術水平不高，采用了沉重的卡塞格倫結構大口徑天線，是電子技術能力向需求妥協的產物。蘇-27M項目配套的H011雷達其實是T-10項目的預期配套設備，只是蘇聯電子技術水平難以滿足實用技術要求，才使這型雷達沒有與蘇-27S共同裝備。H011雷達的主機裝置比H001略大，但雷達天線的口徑則明顯小于H011，并采用了輕重量的平板縫隙天線，雷達的重量比H001降低很多。至于新增加伸縮式空中受油管，改進電子設備等措施的重量影響也并不大。作為對比依據，同時期為防空軍設計的蘇-30的配置與蘇-27M相似，并設置有機頭結構重量更大的雙座艙，卻仍然維持著蘇-27UB的常規布局，可見前翼并不存在配平機頭的必然價值。

蘇-27M應用前翼的主要目的是增升，同時提供了大迎角狀態的氣動控制能力，效果也比較理想，但前翼畢竟增加了氣動阻力和結構重量，并導致機體前段的結構設計更加復雜，三翼面布局的雙刃劍效應很快被實踐所證明。

從710到711

蘇聯在蘇-27開始交付的同時，就在研究增加矢量推力的技術改進措施，并用蘇-27樣機測試了二元和軸對稱兩種矢量噴管。早期測試證明矢量推力的控制效果很好，在氣動面已經不起作用的超大迎角，仍然能夠維持飛機足夠的配平和操縱效應。蘇-27M研制項目在蘇聯解體后開始放緩，已經生產出的樣機作為出口項目推動，推力矢量作為戰斗機高機動性改進措施，也以出口目標為投資渠道進行應用研究，增加矢量的711號蘇-27M也被稱為蘇-37。

蘇-37是給蘇-27M/35預生產型增加矢量的樣機。相比同批蘇-35預生產型的技術狀態，蘇-37已經放棄了實用裝備的系統完善性，而是通過三翼面與矢量技術的綜合應用，成為高機動/超機動控制技術的專用飛行驗證機。按照技術完善程度和飛行性能標準對比，蘇-37是蘇-35應用矢量技術的高機動驗證方案，重點研究矢量與氣動控制的綜合。蘇-30MKI則是直接利用三翼面與矢量成品，用以增強蘇-30雙座多用途戰斗機的機動性。受到技術成熟度與成品性能的制約，蘇-30MK的矢量與氣動綜合能力還處于簡單交聯標準。

蘇-37和出口的蘇-30MKI都采用三翼面和矢量，具備較好的飛行性能和部分過失速機動能力，但以飛行控制效果為目標去對比前翼和矢量，可以認為這兩項應用技術的功能大部分是重疊的。前翼是依靠氣動力矩實現俯仰控制，具備高響應速度和控制效果明顯的優點，理論上可以實現60度迎角的氣動配平，蘇-35的飛行表演也體現出前翼具有很好的氣動效能。前翼的弱點則是增加了重量和阻力，偏轉翼面時渦的方向變化會影響到主翼，部分飛行狀態下的前翼渦甚至是有害的。

推力矢量的優點是不需要改變飛機的氣動外形，依靠發動機推力偏轉輔助氣動控制面。推力矢量的作用只靠發動機的推力，對飛機飛行狀態變化的反應不明顯，推力偏轉對飛機的氣動效果影響也不大，也不會在氣動上形成明顯的阻力增量。矢量推力的弱點是增加發動機的復雜程度，矢量工作時不僅會削弱推力性能，矢量偏轉力矩的控制響應速度也比前翼要慢，簡單控制需協同動作的翼面也比前翼多。

綜合起來看，前翼的氣動控制效果是明顯的，但對飛機氣動的影響范圍較大。現代戰斗機改進中有多個增加可控前翼的方案，真正規?；瘧玫闹挥刑K-30MK系列，就是因為前翼布局對氣動和飛控的改變太多，只有在全新制造的機體上才能充分發揮作用，并需要提供專門的設計和保障、維護體系支持。矢量推力相對前翼的俯仰狀態控制效果相似，雖然響應速度略低，但不需要對機體進行大的改動，飛行過程中的控制應用范圍也更廣泛，后續技術發展的應用效果和作用范圍更大，自然也更便宜。

前翼有與無的內在選擇因素

蘇-27系列設計指標中存在跨音速過載降低的結構限制，這個問題的產生并不是體現在結構強度上，而是受飛機跨音速飛行狀態存在的振動，及操縱力矩非線性導致的過載突增的影響。前翼本身增加了飛機渦升力的強度，同時也為飛機提供了高響應速度的控制翼面。前翼控制面的氣動面積雖然不大，但處于翼面前端，氣動控制效果好，能隨飛行狀態變化為飛機翼面增/卸載，維持飛行軌跡和過載的線性平穩，增加飛機在跨音速階段的可用過載。

前翼的積極作用很早就被認識到，但三翼面布局的飛行控制難度較大，依靠模擬電傳和增穩系統不可能充分發揮氣動效果，反而容易因為各翼面相互配合不好出現矛盾。蘇-27很早就考慮采用三翼面，充分發揮前翼的積極氣動效應，但直到蘇-27K/M才將前翼實用化，就是得益于蘇聯飛行控制技術的進步。

按蘇霍伊設計局的設想，蘇-27采用三翼面可明顯提高升力性能，顯著增強飛行動作的控制精度和機動性，對敏捷性的提高也有積極作用。蘇-27M、蘇-27K和蘇-27IB都采用三翼面，但三翼面在市場推廣中的效果卻并不好，改動太大的方案也不適應俄羅斯緊張的經濟。同時，蘇-27M時代還不成熟的推力矢量技術的成熟應用，也使蘇-27系列有了不改變氣動布局也能獲得大迎角主動控制能力的措施。

矢量VS前翼的效果對比

前翼的俯仰控制氣動效應與平尾相似，但常規布局飛機的平尾處于機體后方，受機翼的物理和流體遮擋。前翼位置緊靠機體，又處于正迎流方向，氣動面的單位面積控制效應遠比平尾高。為避免前翼迎角控制超過限制，前翼的氣動控制面相對較小，可用俯角也遠超迎角，還要利用尾控制面（平尾或副翼）配平，需要時靠氣動作用把機頭“壓”下去。

推力矢量的噴口軸線轉向的速度很快，但現有的矢量推力并不能形成直接控制力，而是要將推力矢量所形成的側向力矩傳導到氣動翼面上才會形成最終控制效果。現有技術條件的推力矢量必須與氣動綜合，發動機噴管位置又處于飛機的最后方，在飛機動力控制中存在滯后性，效率不如前翼。常規布局戰斗機的前翼偏轉如能實現差動操縱，還能形成效率很高的滾轉力矩，有效緩解寬機身戰斗機滾轉速率低的弱點。

按照重量指標對比前翼和矢量。蘇-27M的前翼采用全金屬半硬殼結構，翼面的重量在140千克左右，含電傳控制裝置的全系統重量不低于230千克，擴大前邊條的結構重量也接近100千克，不含配平的結構和系統總增重約340千克，前翼結構重量大致是全機結構重量的4%。蘇-27M的前翼雖然增加了前段機體的結構重量，但前翼在正常飛行時可以形成正升力，并將飛機的靜不安定度由5%放寬到15%，有效改善絕大部分飛行狀態時的綜合機動性能。

蘇-27M設計時并沒有要求具備矢量控制，從701到710制造時也沒有考慮使用矢量發動機，直到被稱為蘇-37的711才開始正式應用推力矢量?；贏L31F所采用的推力矢量采用垂直向單軸對稱噴口，實用型號最初應用于印度引進的蘇-30MKI。按照現在已經公開的技術資料，蘇-30MKI/蘇-37的推力矢量增重250千克，噴管的預期工作壽命在250小時。矢量噴管的壽命看起來比

發動機短很多，但正常飛行時并不需要頻繁使用。依據模擬器試驗的數據分析，空中優勢戰斗機一個作戰架次飛行時間在80分鐘時，矢量噴管只會在空戰階段間斷使用約7分鐘，工作壽命對噴管正常使用并不存在大的影響，主要問題是矢量噴管的維護要求比較高，單元體更換的間隔也比加力段發動機艙短。

蘇-27M設計中采用純氣動控制，機體針對氣動變化的更改量很大。蘇30MKI則在實用前翼的同時應用矢量，雖然矢量還沒有綜合進飛行控制系統，但矢量增重緩解了前翼增重的配平壓力，不過全機更改量仍然不小，而無前翼無矢量的蘇-30MKK則最大程度保持了蘇-27S/UB的結構以降低生產和維護成本，但機體結構強度與壽命確實與新設計的蘇-30MKI存在明顯差距。

蘇-35BM的研制起點

蘇-27M是蘇聯航空工業力圖改善空軍蘇-27S性能局限的新型戰斗機項目。蘇-27M比蘇-27S更重視遠距離攻勢作戰的空優性能，可為蘇-24/27IB和圖-22M進行遠程護航，自主和持續作戰能力都比米格-29M更強。蘇-27M采用三翼面的主要目的是增強機動性，前翼是高機動技術改進的核心，是在矢量推力還不成熟階段應用的技術措施。

蘇-27M在蘇聯解體后失去了裝備目標，出口市場沒有打開使項目最終停滯，俄羅斯航空兵只能繼續維持已經裝備的蘇-27S/P。俄羅斯航空兵在過了經濟最困難階段后，認識到在裝備時比較先進的蘇-27系列，到本世紀初已經明顯落后于西方同類機型，雷達航電和武器的落后程度最大，而飛機平臺本身的整體性能還算合格。蘇霍伊集團利用出口蘇-27系列積攢的資金，并針對俄羅斯空軍裝備改進的需要，開發了以改進雷達火控為核心工作的蘇-27SM項目，并細分出SM、SM2和SM3這幾個針對不同改進范圍的方案。俄羅斯航空兵迫切需要更新老舊的蘇-27S/P機隊，但長期缺乏維護使現役飛機的狀態并不理想，能夠改裝的蘇-27系列飛機數量不算多，改造中結構翻新的工作量也很大。如果以水平較高的SM2為標準實施改進，改裝機的投資效費比難以理想。

蘇-35BM就是針對新方案中雷達航電成本高、機體成本相對比例略低的實際情況，將機體的更改范圍降低到最低的標準，集中有限資源重點改善作戰系統的技術性能。蘇-35BM從蘇-27SM系列開始發展，就是一種單純的蘇-27改進方案，本來就沒在批生產飛機上應用的前翼，在新方案中自然不會延續。

蘇-27細長的尾錐限制了推力方向，矢量噴管只能在垂直向偏轉，提供的仍然是俯仰方向的控制力矩。單軸矢量噴管對俯仰控制的作用與前翼接近，響應速度比前翼低，但矢量噴管可以通過差動實現滾轉力矩，這個功能無法用純增升前翼實現，采用差動前翼則要面對復雜的氣動影響。

前翼能夠提供直接氣動控制效應，但前翼偏轉所形成的氣動影響較復雜，勢必要在部分飛行狀態時限制偏轉角度，削弱了前翼對整體氣動性能的積極作用。同時，前翼進行快速俯仰控制時產生的阻力較大，安裝前翼所增加的邊條也要增加阻力，致使用前翼控制時的能量衰減速度過快。蘇-27系列的動力性能本來就不算好，三翼面又會導致飛機的自重增加，前翼等于是用飛機的能量性能換取敏捷性。蘇-27的三翼面利用好了是利器，戰術動作不理想就會造成不利影響。

按照蘇-35BM的性能要求和技術特征，前翼和發動機矢量都是為了增強飛機的俯仰控制效能，均可以在垂直軸向提供較理想的操縱效果。蘇-35S采用矢量噴管后取消了前翼，選擇了與蘇-27S相同的傳統氣動布局。這種氣動措施是為了降低結構更改幅度，同時也是因為俄羅斯矢量噴管經過長時間的應用驗證，技術性能和可靠性已經達到較高標準，能夠與氣動控制面共同組成綜合飛控系統。蘇-35S的矢量噴管重量大致仍然在200千克左右，遠離重心所要求的前機身配平系數在1.3，大致與新換用的雷達和電子設備增重抵消。蘇-35S用矢量噴管的重量與前機身配平，結合增加的載油空間和強化的機體結構，具備較理想的綜合飛行性能和有限的過失速機動性。

最終的選擇

蘇-27系列目前的型號改進雖然比較多，但都沒有脫離蘇聯時代的基礎，蘇-27M和蘇-37也是蘇-27系列改進技術的高端。蘇-35S雖然是最新改進型，但這個型號的裝備目標非常清楚，就是利用已經在蘇-27/30系列上成熟應用的改進，用新制造的機體搭配上先進的航電和成品，在換代戰斗機裝備前補充現有戰斗機部隊。

蘇-35S是在蘇-27SM基礎上發展的技術改進型，同時期俄軍的重點裝備目標是換代的T-50，蘇-35S只被用來作為先進戰斗機服役前的過渡。蘇-35S的實際裝備地位與蘇聯時代作為主力的蘇-27M不同，這就限制了新技術和新裝備應用的范圍。同時，俄航空兵擁有龐大的裝備基礎，蘇-27系列的技術狀態雖已落后，但數百架飛機構成的維護保障體系仍然完整，維護人員和備件供應也形成了系統。

蘇-35BM/S沒采用三翼面氣動布局不是因為前翼失去了氣動控制價值，而是因為矢量推力能夠替代前翼的氣動作用，維持蘇-27S氣動布局可以最大程度利用現有資源，機體制造所需的工裝和設備投資也最低。共青城蘇霍伊生產線的未來寄托于T-50，在此之前為蘇-35投入資源的遠期價值不高，生產線改造所占用的資金還會影響到整體資源的分配，削弱T-50的投資規模。共青城作為蘇霍伊的直屬廠，不會干這樣的蠢事。

蘇-35BM設計時的主要意圖就是生產新機體，以便在用蘇-27SM方案改造部分蘇-27S的同時，用新制造的蘇-35S替換掉壽命不佳的蘇-27S，改舊和換新針對的是蘇-27機隊不同的壽命狀態。蘇-35S采用以舊換新的裝備思想，必然會出現服役裝備混編的現象，蘇-35S與蘇-27S差異越小部隊熟悉速度就越快，現有維護體系中可沿用的部分就越多，裝備全壽命投入也就越少。

蘇-27M并沒有形成完整的批量生產線，蘇-33的前機身設計與蘇-27M相似，但缺乏訂貨的蘇-33生產線已經被拆除。蘇-34的前機身氣動和結構更改量過大，與蘇-27系列的前部機體幾乎沒有共同之處。蘇-30SM的生產廠是與生產蘇-35S的共青城相互競爭的，其生產的出口型蘇-30MKI就是三翼面布局，因此其依托蘇-30MKI的生產線所生產的蘇-30SM系列也采用了帶矢量和前翼的布局?？傊?，常規氣動布局的蘇-35S和三翼面布局的蘇-30SM都是適應各自廠家生產基礎的結果，這樣做各自所需投資最低。簡單的說，換成蘇-30MKI的生產廠來設計和制造蘇-35，絕對會是架三翼面布局的單座蘇-30SM！

常規布局戰斗機結合前翼形成的三翼面，對飛機的綜合性能有明顯的積極作用，但從蘇-27M的設計過程也可以看出，在已有機型上改裝增加前翼，前翼的氣動效果與全機氣動的綜合難度很大，相互的牽制使很多有利因素難以充分發揮，推力矢量對氣動干擾小的優點則更易在實用中得到體現。

俄羅斯經過蘇-27系列后續改進的應用研究，清楚認識到三翼面與矢量各自的優勢，最新的T-50看起來雖然是常規氣動布局，但邊條前緣的大型可動翼面，事實上就是將獨立前翼綜合到機體上的措施。T-50的前翼與邊條一體化后，前翼偏轉的氣動效能雖然有所降低，但能把前翼渦與俯仰控制效應與邊條綜合，有效利用了前翼靠近機體和最先迎流的優點，最大限度削弱前翼對主翼的消極影響。T-50融合前翼的大迎角氣動控制效應不如獨立前翼，但推力矢量可彌補氣動控制的不足，前翼的高氣動控制效應又能補償矢量響應速度的滯后，綜合效果比屋上架屋的蘇-27M更加理想。

作為最新改型的蘇-35S采用常規氣動布局，并不意味著前翼已失去氣動價值。綜合看，蘇-35BM方案中以矢量替代前翼，T-50把前翼融合到邊條內，都是對氣動和控制綜合的過程中，對不同技術平衡的取舍。