殲20亮相珠海遺憾不能上演超機動，只因少了殲10B關鍵部件

10月30日，4架殲-20戰機飛越珠海今晚機場上空，很顯然這是在為即將開幕的珠海航展做準備。同一天，帶矢量發動機的殲-10B也升空進行了適應性訓練。

從現場來看，殲-20除了編隊通常外，還有單機表演，但表演還是以常規的高G轉彎、爬升、桶滾等標準動作，並沒有像F-22、蘇-57那樣做出「不合常理」的超機動。反倒是殲-10B，如今外界普遍認為其可能進行包括「眼鏡蛇」機動在內的超機動表演。

作為西方標準的第5代戰機中，唯一的前翼戰機，不是應該讓前翼帶來很高的機動性嗎？那麼殲-20的表演為何偏「保守」呢？今天，北國防務就來談談前翼對超機動性究竟有什麼影響。

2018年10月30日，珠海上空的殲-20戰機

上世紀70年代，戰機設計界從盲目追求超音速的浪潮中覺醒過來，開始注重戰機的機動性。為了儘可能維持超音速加速性，需在翼面積增加不大的條件下提高升力，而利用渦流刺激主翼上層氣流，在高攻角狀態壓榨出更多升力，提升最大升力係數的方式成為最受矚目的解法。

要在主翼前方產生渦流主要有2種方式，一是安裝高後掠角，小展弦比的邊條翼，其上層氣流會在中攻角率先失速，但邊界層剝離產生的渦流反而會增加主翼升力，產生 「犧牲小我，完成大我」的效果；另一種方式則是採用前翼，高後掠角的前翼也是利用失速渦流產生助升效果，但後來發展的先天不穩定構型需要前翼作為控制與配平之用，就不希望前翼太早失速，於是縮小前翼的後掠角，改以尾流作為主翼助升之用。

成飛前總師宋文驄在 「一種小展弦比高升力飛機的氣動布局研究」論文中提到殲-20同時採用前翼與邊條翼，不僅保持了各自的增升效果，還能得到更高的升力係數，顯示前翼、邊條翼與主翼三者之間產生了某種有利的耦合作用。

我們在航展看到的超機動表演都是在低速進行，這是因為戰機在低空要減速到0.4馬赫以下才能進行25度以上攻角的瞬間超機動（A），但戰機在中高空環境因為空氣稀薄，0.7~1.2馬赫間都有可能進入超機動狀態（B），因此MBB認為超機動領域有很高的戰術價值

「超機動」一詞則是源自前西德MBB的工程師W.B.Herbst，他在上世紀80年代帶領團隊研究未來空戰的致勝性能時，提出將過失速(PST)機動與直接力機動(DFM)結合成為 「超機動性」： 「過失速」指的是飛機超過失速（約30度）攻角的轉向動作，此時主翼已抓不住氣流來製造升力，就像汽車在彎道中讓前輪抓不住地面一般，但在後輪帶動下反而能更快速地迴轉（甩尾）； 「直接力」則是利用可動鰭翼或矢量噴嘴使戰機在飛行方向不變的情況下，改變機頭指向。由於後者解除了轉向前需滾轉的 「耦合」，因此又稱為 「解耦」。

不過，直接力的解耦動作在過失速狀態最容易進行，因此 「超機動」後來被簡化為過失速狀態的各種機動。另外，俄羅斯航空界將失速視為 「極限」狀態的一種，因此將過失速機動稱之為 「超極限機動」，也常被簡稱為 「超機動」。

Herbst在」Future Fighter Technologies」論文中指出：(左上)機頭解耦指向能力可提升20%與30%的空戰優勢，超過50度攻角的過失速則可提高30%以上的獵殺率；(右上)超機動也可降低空戰過程的G值，減輕飛行員與機體的負荷；(下)綜合以上優勢，超機動不但使導彈交換比達2：1，機炮交換比達10：1，且使戰機可一次對抗兩架傳統敵機

Herbst的研究結論也建議德國政府朝前翼+三角翼構型發展，因為三角翼的高後掠角與小展弦比兼具降低超音速激波阻力與降低翼負荷（提高各種速度的機動升力）的優點，而近耦合前翼與靜不穩定構型可雙雙提升三角翼的機動升力。前翼的助升現象是由瑞典最先運用在戰機上，其JA-37「雷電」戰機為了保有三角翼的超音速優點，又要滿足瑞典對短場起降的需求，因此在主翼前方架設第2對三角翼，在高攻角會產生下洗渦流掃過主翼上層，減緩主翼的失速現象而提高升力，這現象又稱為 「渦流助升」。

增加後掠角雖然讓渦流提前崩解，但會緩解左右不對稱現象。殲-20早期原型機（左）採用弧狀外緣，量產機（右）卻改用直線外緣，可能就是為了讓後掠角增大並保持不變

然而，被用來提升傳統機動性的渦流，卻對超機動性產生負面影響。如前所述，中/高後掠角的翼面在25度攻角上下會因為前緣邊界層剝離現象而產生渦流，並在尾端崩解成為亂流。在偏航角>0時，迎風翼的渦流會比背風翼的渦流強勁，使飛機朝向偏航角滾轉而維持攻角的穩定；但隨著攻角的增加，迎風翼的渦流崩解位置會往前移動，使該側升力降低而反向滾轉，反而導致攻角擴大而產生滾轉的不穩定現象。超音速飛機尖削的機鼻、中/高後掠角的邊條翼、主翼與主翼都有渦流不對稱現象，而實驗顯示前翼的尾流會加強這個傾向。

雖然透過可動式前緣襟翼、增加邊條翼的後掠角、在機鼻或機側安裝小型條翼可以穩定渦流，緩解不對稱現象，使戰機在30度上下的最大攻角可以減輕 「機翼搖滾」（Wing Rock）對瞄準精確度的影響，但在30度以上的過失速攻角仍會導致滾轉不穩定，直到主翼邊界層更大範圍崩解，接近完全失速才會回復穩定。

MBB在TKF-90計劃中研究了傳統雙垂直尾翼、全動雙垂直尾翼、翼下垂直尾翼（右下）、前翼布局（左）、尾翼布局（右上）...等對超機動性的影響，結論是前翼+三角翼+傳統雙垂直尾翼+矢量噴嘴是最佳選擇

渦流的另一個問題是在崩解現象發生時，會改變垂直尾翼表面的壓力分布，導致橫向穩定性跟著降低。這可以藉由將垂直尾翼設置在中間來逃避渦流，例如F-16與歐洲3種四代半前翼戰機都採用單垂直尾翼來維持30度上下攻角的穩定性。而宋文驄的論文中提到，殲-20藉由將雙垂直尾翼從 「相對面積」（可能是相對於主翼面積或總翼面積，論文中沒有明指）20~25%縮小為10~13%可以減輕渦流的影響，再藉由將垂直尾翼改成全動型式彌補其他情形下偏航控制性的不足。

然而，這兩種方式在過失速狀態都會讓垂直尾翼被機身與主翼的尾流所遮蔽，終究還是會失去橫向穩定性，尤其全動式尾翼在MBB研究中更發現會提早引發渦流崩解而被放棄。因此MBB原先的想法是利用矢量噴嘴進行偏航控制來達到超機動效果，不過這主意因為風險與價格太高而放棄，使「颱風」戰機跟隨其他歐洲四代半戰機放棄了超機動性，MBB後來自己帶著設計圖到美國合作打造了X-31矢量噴嘴實驗機來完成超機動夢想。

另外，MBB發現機身下方的腹鰭不會接觸到渦流，倒是可在較高的攻角提供橫向穩定效果，殲-20可能就是這個原因，增設了論文中沒有提及的腹鰭。

殲-20利用邊條翼產生的渦流與前翼尾流來增加主翼升力，可提升中高速的持續機動性與瞬間機動性，但對低速超機動性卻未必是利多

不過，各國的相關研究也發現，前翼偏折角度對渦流的影響並非線性，可能某些角度會增強渦流的不對稱，某些角度又會消除這現象。因此，透過數字飛控系統控制前翼角度跟著攻角變化可以減緩部分的不穩定性。

另外，為了避免飛機在過失速狀態失控，前翼可以90度下打產生低頭力矩來強迫返回傳統機動狀態。然而，對於前翼+三角翼構型而言，前翼是主要的俯仰控制與配平面，強迫限定其角度等於放棄俯仰控制能力，只靠主翼後緣的升降舵來產生俯仰力矩，使過失速的俯仰控制能力比尾翼＋主翼構型來得差。

F-35在2017年巴黎航展中進行的表演動作，主要的超機動是2、4兩處，前者是用快速的俯仰大動作畫出四角形的垂直循環；後者則先用極小半徑的低速翻身，再進行高攻角的落葉轉

俄羅斯中央氣動學院就因為這個理由，建議未來戰機應採用前翼＋矢量噴嘴，或是前翼＋尾翼的三翼面布局來兼顧傳統機動性與超機動性，前者被米高揚設計局的1.42所採用，後者則應用在蘇霍設計局的蘇-57上。

因此，單純前翼＋三角翼並不能帶來優秀的超機動性，除了殲-20外，殲-10、「鷹獅」、「陣風」與「颱風」等前翼戰機都不曾在航展中表演超機動飛行，最多只有25-30度左右的高攻角平飛，也就是最大升力係數的狀態。目前戰機構型中，超機動性較好的仍是兩片垂直尾翼＋兩片水平尾翼的傳統 「四尾翼」構型，比較容易在30度以上攻角維持穩定與控制。

殲-20已經換上國產發動機，下一步換上目前殲-10B上的矢量發動機應該問題不大

例如F-35在毫無矢量噴嘴的情況下也可達到50度攻角可控，在去年的巴黎航展中就藉此表演了四角轉彎等多種超機動。相較之下，要看到殲-20或殲-10表演超機動，可能等到矢量噴嘴上身才有機會。

目前，殲-10B無疑已經具備了這個條件，而且很可能即將展示在世人眼前。而殲-10B一旦成了，殲-20還會遠么？只是時間問題而已

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