云月隐暗雪鸮去，长虹流波鹘鹰来——小记沈飞公司FC-31战机的前世今生（二）_风闻

三、细读鹘鹰

沈飞研究中型四代机的历史同样久远，从上个世纪八十年代起的二十几年间，先后研究过近百种气动布局方案。随着时间推移，制造工艺、新材料技术、航电设备、空军作战理念、计算机辅助设计等影响气动布局的因素不断推陈出新，大量气动布局方案在不断演进中被淘汰，沈飞研究重点渐渐集中到了双中推的先进常规布局方案，这种布局各方面性能均衡，又是沈飞擅长的常规布局，随后进行了多年的深入研究和实验。1989年沈飞还应中国空军需求设计研制过双中推的带有隐身特点的歼-14战机，虽然后来由于Su-27的引进，歼-14项目被放弃，但这无疑为沈飞在中型隐身机领域积累了相当的技术经验。所以当沈飞在2007年底决定自行研制中型四代机时，沈飞手里其实已经有成熟的四代机气动布局方案了，并不是毫无准备。应该说沈飞还是一家有深厚技术底蕴的航空公司，FC-31做为一款中型五代机整体设计均衡，采用常规布局，单座双发双垂尾，两侧DSI进气道，是典型的以波束控制理论设计的隐身战机，具备极强的隐身能力。在2012年首飞的仅是一架技术验证机，沈飞技术文件上称呼为“310验证机”，用于验证飞行平台、隐身设计、气动布局等，歼-20、F-22、F-35都经历过验证机阶段。2016年12月23日，FC-31重大改进后的真正型号原型机首飞，正式开启“鹘鹰2.0”时代，这架新的FC-31，进气道口进行了优化；主翼和水平尾翼进行了切角处理并增大了面积；垂直尾翼进行了重新设计，改成了后掠垂尾，强化了高速性能；机体整体略有拉长，增大了机背油箱，机腹弹舱也更长更大；座舱盖改成了整体式设计。

图7：沈飞曾研制过的歼-14战机，是一款双中推的带有隐身特点的中型战机，但在Su-27引进国内后项目被放弃，该机的设计思想和部分技术后来直接影响了FC-31

图8：沈飞早期研究过的其它中型四代机气动布局方案，它们构成了FC-31气动布局的理论基础

图9：FC-31原型机的早期效果图，可以看到为了应对低速时因气流分离而造成的推力损失，机背上设计了两个辅助进气口，但是光电系统（IRST）还是Su-27的老款式

图10：首飞当天的FC-31原型机，垂尾非常靠前，明显在追求可控大迎角能力。机体上能看出使用了大量复合材料（机体中绿色部份），整体设计与验证机相比有了大幅度的修改，与早期效果图也不尽相同

如果说FC-31的验证机设计上还略显保守，那原型机的设计可以说已经相当成熟了。如何准确的审视沈飞这款FC-31,如何来看它的能与不能。我们不妨拿美国F-35来做个参照。FC-31验证机首飞比美国F-35A晚了整六年，原型机首飞时F-35A都快服役了。但基本上算相差不太远的两款新型四代机，是这世界上目前仅有的两款中型四代机，又都是常规布局，对比还是有相当借鉴意义的。美国空军曾给四代机定义了经典的4S性能，分别是：Stealth（隐身）；Super Sonic Cruise（超音速巡航）；Super Maneuverability（超机动性）；Superior Avionics for Battle Awareness and Effectiveness（超级战场态势感知）。目前完全达到4S性能的只有美国F-22，歼-20受制于发动机拖累，Su-57的隐身则比较坑。

看F-35的4S能力，首先是它的隐身能力，在X-35验证机时代其实还是不错的，但是在服役时却变成了目前这种混身长“瘤子”的模样，按美国空军提供给国会的官方文件描述，F-35是“正面极低可探测性”，侧面、背面是“低可探测性”，意思就是侧面和背面，隐身能力要打折扣，当然这还应该包括长满“瘤子”的机腹。相比之下F-22和B-2是“全向极低可探测性”，而且据说外销版的F-35隐身能力还要降低。为了隐身能力下降这个事情，澳大利亚、英国还和美国互相扯皮，甚至闹出外交风波，加拿大则直接放弃采购；第二超音速巡航这个完全没任何悬念，是真没有；第三超机动能力，F-35本身就不是按空优战机设计的，原本就膘肥体壮，但就算这样还三天两头就有重量超标的新闻见诸媒体，F-35A的翼载荷达到了惊人的每平方米526公斤，这个翼载荷已经超过了F-15E这样的重型战斗轰炸机，但推力却少了67千牛，相当于少了一台F-100的军用推力，在50%内油的对空模式下推重比勉强达到1.07，而F-35C推重比就只有0.9了，F-35B就更低了。F-35为了机体减重，大大削减机体结构强度，F-35A最大机动过载虽然号称有9G能力，但在实验中却发现很难拉到7G，而F-35B甚至官方的理论过载也仅有7G，F-35C为7.5G。这样的翼载荷、推重比、过载能力就算放在三代机中也是敬陪末座，所以F-35很难说有什么像样的超机动能力，当然这对一款“攻击机”来说，也许根本就不是值得忧虑的问题。但美国空军对F-35A机动能力不低于F-16和F-18的要求，显然并没达到。一位参与 F-35项目的意大利空军飞行员说F-35A的飞行包线介于F-16和F-18之间，也间接证实了F-35机动能力范围。但需要说明的是，F-35凭借先进的气动设计和强大的飞控系统，在与三代机的缠斗中仍具有某些优势；最后是“超级战场态势感知”这个能力，首先F-35得益于比F-22还先进一代的“宝石台”构架为基础，再配合APG-81雷达、光电跟踪系统（EOTS）、光电分布式孔径系统（EODAS）、英航宇系统公司的综合电子战系统等等强大的航电系统和以网络中心站理论打造的战场信息分享能力，那是无可挑剔的，比F-22还先进一代，目前代表了这个星球上的最高水平。

图11：F-35A和FC-31机腹角度对比，可以看到F-35A机腹下长满“瘤子”，被外界指责隐身能力不佳。而FC-31的机腹则非常平坦工整。而机体整体稍长，弹舱也明显更长、更大

F-35搞成今天这个样子，首要的问题就是政治力量凌驾于军队装备的实际需求，美国国会第一次干这种事是F-111，强行要求海空军的飞机通用化，以为F-111即能满足空军当战斗轰炸机的需求，又能满足海军能航母起降当截击机的需求，结果是出了名的失败项目，弄到最后海军还无法装备。在三代机时代各军种又回到各自发展战机的老路上，空军有F-15、F-16；海军有F-14、F-18；陆战队有AV-8B。在四代战机时，本来美国空军、海军、海军陆战队仍然各自有四代机开发计划，但此时冷战已经结束，享受着和平红利的美国在新装备开发上十分消极，再加上连年战争资金吃紧，对于三军提出的下一代战机计划，国会又想起当年多军种通用化战机这档子旧事来，强行将各军种的四代机项目整合成高度通用化的同一机种，将空军型、海军型、陆战队型用一个型号统一起来，这就是今天的F-35家族。这样做的好处是能最大限度的通用化零部件，提高零部件总产量，再借助提高产量来减少单机的生产成本，通用后勤，这从采购和后勤的角度来说确实是完美方案。但代价就是为了使用通用化的零部件各子型号间必须互相迁就，因三个机种技术特点迥异，使用环境、作战方式差别很大，互相妥协的结果必然是搞出一个中庸的设计，尤其是F-35B，完全拖累了整个F-35家族，为了迁就F-35B的垂直起降能力，整个F-35家族在长度、翼展、机体结构、发动机以及发动机安装进而引发的气动力中心等问题上都做出了重大牺牲，可以说F-35的空军型和海军型都因为陆战队型而吃了大亏；第二个问题就是美国空军对F-35其实早有定位，那就是“联合攻击机JSF（Joint Strike Fighter）”，是以对地打击为主，是七分对地，三分对空。这么一定位，那F-35就需要巨大的弹舱来容纳大型的对地打击弹药，又需要巨大的油箱来维持必要的航程，毫无疑问机身必然又大，又重，瘦不下来。空军型F-35A要求弹舱内带两枚2000磅JDAM，这完全是当年F-117的对地打击能力，而F-117比不上的是F-35A还要能对空作战，还要能超音速飞行，还要多带油，保证1240公里的作战半径。为了隐身还要将一大堆观瞄吊舱内置化，还要带一大堆电子对抗设备，新型传感器等，这么一折腾下来，F-35A的空重超过了三代重型机F-15，内油携带量与F-22基本相当，弹舱载弹量两倍于F-22，作战半径比F-22高63%（洛马官方资料，F-22作战半径760公里）。付出的代价就是在验证机阶段十分俊俏的X-35变成了现在我们看到的这副混身“长瘤子”的模样了。

图12：F-35膘肥体壮，肌肉虬结。但是机侧和机腹隐身能力不佳，让美国空军也不得不在向国会呈递的文件中承认这一点

就像歼-20的设计是建立在对YF-22和YF-23充分的利弊得失认识之上的，那FC-31也是完全借鉴了F-35的前车之鉴，定位是非常精准的，首先，就是压根不要去考虑垂直起降型号，没有这个型号的拖累，F-35也不可能变成今天这副怪异的模型，国际市场上这个型号也根本不是市场主流，中国军方也没有提出过这方面的需求；其次是也暂时不要考虑海军舰载机的型号，既然主要面向国际市场，那国际市场的潜在客户是没有这个需求的，就算未来中国海军需要，那在空军型的基础上发展海军型也是容易办到的；第三是不能搞成对地攻击机，对于美国人来说，有F-22包打天下，那F-35自然只需干攻击机的活了，但是对国际市场上的客户来说，如果没有制空权，哪来的对地攻击？所以国际市场上更需要的是第四代空优战机。这么一来，事情就简单了，FC-31只需要发展以制空能力为主要取向的空优战机就可以抓住绝大部份市场了。

我们根据目前已知的资料简单分析下FC-31的4S性能，首先是隐身：依据物理绕射理论来模拟计算导电目标散射特性的方法是今天 RCS 计算方法的理论基础，得益于当前中国超级计算机上的巨大成就，今天的超级计算机已经可以非常容易的计算出一个连续曲面的最优隐身外形，真正的难点在于工程实现，今天我们看到F-35的诸多不理想之处，尤其是腹部一堆“瘤子”，并不是洛马公司不想设计出更理想的外形，而是必须面对其它性能必须做出妥协取舍，但至少目前FC-31还没有出现这种问题，外观上更符合隐身设计的特性。所以在机头正面，FC-31的隐身能力应至少与F-35相当，机腹和侧面则明显优于F-35。

超音速巡航：根据沈飞2017年携FC-31参加第52届巴黎航展时，由中航工业副总经理李玉海透露说FC-31已经可以实现超音速巡航了，这大大出乎很多人意料。FC-31原型机装两台基于俄罗斯RD-33深度改进而来的WS-13E发动机，单发推力9.5吨，两台推力达19吨，但是装同样发动机的Mig-35并不能超巡，那FC-31是怎么做到的呢？秘密就在于之前的典型三代机如F-15、F-16、Su-27、Mig-35等，它们都是按亚音速机动能力来优化气动布局的，这一是受七、八十年代航空界对空气动力学的认识局限，二是当时刚结束越战，美国空军统计90%以上的空战缠斗实际上发生于高亚音速和跨音速阶段，所以三代机的气动设计非常强调亚音速升阻比，一般都达到了9-12，远超二代机的5-8（美俄军标为三代机），所以三代机就比二代机在亚音速范围内机动能力更强，航程更远。但是三代机的超音速升阻比却普遍较低，一般不超过3，这就造成三代机在超音速飞行时阻力非常大，要想超音速就只能打开加力燃烧室，用强行增推的方式来跨过音障，但三代机开加力一般不超过5分钟，燃油充足的战机可以开到8分钟，超过这个时间不是燃油耗尽就是发动机烧毁，因为那个年代的发动机本身也是按亚音速性能优化的。但到四代机时代美国空军要求四代机的超音速升阻比要超过5，实际上YF-22在马赫1.5时超音速升阻比据称可以大于6，而YF-23更进一步，号称接近7，这也就是为什么YF-23在更重的机体下用同样的发动机，超巡能力却要显著优于YF-22的原因。所以对超巡来说强大的发动机推力当然是基础，但战机的气动外形设计却更加重要。举个列子，三代机的推重比之王F-15，在标准对空模式下以1.46的推重比也无法做到超巡，但SR-71用0.39的推重比就实现了最大3.35马赫的飞行，并且可以用这个速度一直飞，飞的越快阻力越小，其中一个根本原因就是它在3马赫时超音速升阻比达到了6.5，而不锈钢制造的Mig-25用0.6的推重比也实现最大3.2马赫的飞行，同样的歼-20用两台14吨推力的WS-10B太行发动机，也号称拥有1.5马赫的超巡能力，道理都是一样的。这也就解释了前面为什么用同样的发动机FC-31可以号称拥有超巡，但Mig-35却明显不能的原因。因此FC-31以空优战机为设计取向，以较轻的机体和较高的超音速升阻比设计，实现超巡能力完全是情理之中的事。但话又说回来，FC-31以目前装备的WS-13E超过0.6的涵道比，并且推力不足的情况下即使能超巡，也必然是较低的水平，也许在1.2-1.3马赫之间，这正是跨音速阻力较大的区域，宣传意义要大于实际意义。未来还是要等第四代中推装机后FC-31才能获得真正实用的超巡能力。而F-35则是有意放弃了超巡能力，在气动布局上更倾向于提高亚音速升阻比设计，美国军方认为一架能隐身的攻击机拥有超巡能力没有实际意义，不如换取亚音速状态下更大的作战半径。

超机动能力：F-22不用矢量推力就可以达到60度可控迎角，F-35A据说可以达到50度，从FC-31原型机明显非常靠前的垂尾设计可以看出，FC-31也非常追求大迎角性能，而且这种状态下横轴方向上的舵面有效性也会增强，再配合四代机先进的气动布局，可以推测FC-31的可控迎角至少不会低于50度。在三代机中除了F-18E/F可以达到50度可控迎角以外，其它没有任何战机可以超过30度，连新锐的欧洲台风也只能达到26度，阵风为28度，所以在可控迎角领域F-35和FC-31可以碾压一切四代机；在过失速机动能力方面，F-35A在巴黎航展上当众展示过“落叶飘”机动，充分展示了它先进的气动设计和精良的飞控，但其实没有矢量发动机的F-35A在过失速机动方面显然不是强项。FC-31虽然没有对外展示过它的过失速机动能力，但它是以空优能力设计的四代机，过失速机动能力显然也不会缺失。目前装备WS-13E也没有矢量喷管，但将来装备的第四代新型号中推确定会装三轴矢量喷管，到那时在过失速机动能力上FC-31就会技高一筹；还有就是超音速机动能力，这很大程度依然取决于战机的超音速升阻比，台风据说可以在1.2马赫时做2G机动，但F-22可以在1.5马赫时做6G机动，也就是说F-22可以在全程超音速状态下捕捉敌机，抢占阵位，发射导弹，完成整个攻击动作。但传统的三代机几乎完全不具备这种能力，三代机在超音速状态下只能做直线冲刺，任何细微的机动都会使战机撞上正激波而剧烈损失能量从而掉回亚音速。三代机面对四代机时，亚音速状态下很难跟着四代机辗转腾挪，因为四代机自始至终在超音速范围，即快速又敏捷，轻易就能完成机头指向并抢先攻击，而自身却可以始终保持在三代机攻击角度之外，如果三代机强行打开加力燃烧室进入超音速，却只能像一枚火箭弹一样飞直线无法机动，反而会被四代机轻易击落，这种尴尬就像一辆自行车永远也跟不上摩托车的节奏一样，这就是四代机的超机动能力。目前可以确定F-35肯定没有这个能力，而如果FC-31能进行超巡，那就会有相应程度的超音速机动能力，未来换装新型四代中推后，超音速机动能力才会完全发挥。以目前得到的资料显示，FC-31空重12.5吨，内油7吨，均要小于F-35A的空重13.15吨，内油8.38吨，FC-31明显更轻巧；而FC-31全长17.3米，翼展11.5米，F-35A全长15.67米，翼展10.7米；FC-31机体更修长，阻力更小，更利于超音速飞行和机动，而翼展更大说明机翼面积更大，加上机体更轻，这就有了更低的翼载荷。总的来说FC-31比F-35翼载荷更低、推重比更高、过载更大，做为空优战机，机动能力明显性优于F-35。

图13：沈飞公司公开展示的FC-31座舱，旁边参观的空军大校是个亮点，看来空军也不是全然不感兴趣

超级战场态势感知：中国在四代机航电上的发展是与四代机发展完全同步的，在1996年中国以F-22“宝石柱”架构做为技术对标，进行了98X工程，相关设计研发进行的十分顺利，到2004年就通过了国家验收，但当时中国四代机还处于研发阶段，竞标都尚未开始。于是98X工程技术成果主要应用于歼-10B上，部份应用于沈飞歼-16。2002年相关单位又对标F-35“宝石台”架构展开新一轮研发，主要成果为有源相控阵雷达、光电跟踪系统（EOTS）、光电分布式孔径系统（EODAS）、综合电子战系统、还有中国第一条光纤数据总线等均已成功装备歼-20，部份应用于歼-10C和歼-11D。所以以目前中国电子工业界的实力，只要客户需要，是完全可以为FC-31整合一套不输于F-35的航电系统的。

图14：歼-20机头的有源相控阵雷达、两侧的侧视雷达、光电跟踪系统（EOTS）、光电分布式孔径系统（EODAS）

应该说FC-31和F-35是两种任务取向的战机，用它们做对比其实有些不太合适，FC-31更轻巧，更侧重于空优能力，而F-35更敦厚，强大的对地打击能力也不是FC-31能办到的。此外FC-31在研发制造中应用了大量的新技术和新工艺，比如智能蒙皮、计算机辅助设计、3D打印等。

图15：3D打印的FC-31钛合金整体后机身结构承力框，是目前世界上3D打印的最大单一物品，达到了5.02平方米。与传统的锻造焊接技术相比，3D打印极大的减少了成本，缩短了制造时间

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