浅析另类“战隼”之Ｆ－１６ＤＳＩ技术验证机

李　浩

在F-16战斗机的发展过程中，有一种型号不得不提。虽然它没有投产，只是一种验证机，但是它验证的Divertless SupersonicIntakes(DSI)“无附面层隔道超声速进气道”技术，最后在F-35JSF联合战斗机上得以采用。在美国宣布减产甚至停产F-22战斗机之际，F-35的订购数量却直线上升。可以说F-16DSI验证机为DSI技术在F-35的应用奠定了坚实的实验基础。虽然F-16DSI验证机的出现的时间很短暂，但是它在战斗机进气道的发展史上做出了应有的贡献。下面就让我们认识一下F-16DSI验证机。

研制背景

F-16DSI验证机是伴随着F-35战斗机一起发展起来的。作为第三代战斗机，F－16采用固定式皮托管进气道。在第四代战斗机还没有问世之前，人们普遍把机动性和大推力作为三代机的重要设计特点，空优飞机一直是第三代战斗机的发展方向。因此具有隐身设计的DSI进气道没有得到当时的认可，再加上当时的计算流体力学CFD技术没有现在这样成熟，因此DSI进气道没有得到广泛的应用。

洛克希德·马丁公司的工程师早在上世纪90年代早期就开始研究传统超声速进气道概念的替代方案。我们知道无论在亚声速还是超声速，在机身表面和压缩斜面上都会形成这样一个空气层，也就是所谓的“附面层”。它实际上是机身表面(也就是空气粘滞表面)和自由气流(此处气流处于自由流动状态)之间的一个区城激波和附面层的交互作用会增大紊流进而导致发动机压气机平面处无益的气流畸变。如果激波／附面层交互作用增强到一定程度，进气道将变得不稳定，而发动机也会失速。附面层的厚度随前机身长度(也就是机头到进气口这段距离)增大而增大。超声速飞机的设计人员处理附面层现象的传统方法是在附面层到达进气道喉部之前改变附面层流向，同时将进气道置于远离附面层的自由流中——这里的气流不受附面层现象的影响。传统进气道的复杂机构以及附面层隔离装置，对于飞机的气动性能和隐身能力都有影响，并且这样的进气道设计增加了飞机的操作成本和费用。通过取消复杂部件，每架飞机可以节省50万美元的费用，效益相当明显。另外，DSI进气道是针对第四代隐身战斗机的隐身需求而设计的一种在性能上可以与三代机相媲美而特别注重隐身性能设计的先进进气道。洛-马公司试图取消和附面层控制有关的复杂结构：附面层隔离板、放气系统、旁通系统。通过取消这些机构，设计人员可以从飞机上减轻大约150千克的重量。最后的研究结果就是如今的DSI，或叫做蚌式进气道或鼓包式进气道。

DSI技术初探

DSI是无附面层隔道超声速进气道的英文简称，由两部分组成：鼓包和前掠式进气道。附面层是指空气流过飞机时，贴近飞机表面、气流速度由层外主流速度逐渐降低为零的那一层空气流动层，速度和压力极低。附面层进入进气道后，与激波作用会导致进气道内气流紊乱，甚至增强到使进气道不稳定直至发动机失速。所以，现在超声速战斗机都设计有附面层隔道，吹除附面层。而美国最先进的F-22“猛禽”战斗机放弃使用DSI进气道，一个重要的原因就是考虑到飞机超声速巡航时，DSI进气道没有固定式进气道更能符合飞机的超声速巡航要求。DSI进气道，它采用一个固定的鼓包来模拟以前进气道中的一、二级可调斜板，并能够达到对气流的压缩，以及简化结构、隐形的目的。DSI进气道与常规进气道相比，有三个主要优点：一是采用“锥形流”乘波设计，总压恢复较高；二是减小了飞机迎风面的阻力，提高了飞机的隐形性能，三是不设计辅助进气门和放气门，取消附面层隔道后飞机可以减重数百千克，大大减轻了飞机的结构重量。总体来看，DSI进气道具有结构简单、重量轻、阻力小、隐形等特点。而且DSI对速度适应范围很广，我们国家的FCI“枭龙”战斗机采用DSI后甚至可以取消进气道后的放气门，对减轻飞机重量，提高战术性能有极大好处。洛·马公司为设计F-35，对一架F-16改装了DSI进气道。试验结果表明，在1马赫下，DSI比F16的皮托管进气道略有优势，超声速情况下，与之相当。然而DSI有众多优点值得我们去研制这种进气道的同时，我们也发现该进气道的一些缺点。目前主要集中在两点：一是前面提到的超声速性能；二是大迎角性能。如果DSI进气道要提高在这些方面的性能，可能还需要进行更大的改进和设计。

验证机试飞实验概况

在DSI被洛·马JSF设计师采用的同时，设计师就明白它会被认为比F-22的后掠式进气道具有更高的风险，为此他们经由当时的麦道公司改装了1架F-16进行DSI验证来降低技术风险。F-16的模块化进气道设计使得它可以装上DSI模块而无需对前机身和中机身进行重大改造。根据现有的F-16进气道设计，新的进气道模块将成为前机身的组成部分，从其前缘开始直到前机身与中机身接合部(机身站位243处)处和原进气道融合。压缩面被置于前机身座舱下方，不会影响前机身其它部分或舭线。扩压段前部进行了重新设计，在新的进气口和现有扩压段(机身站位243处之后部分)之间形成一个过渡。F-16DSI是在工作站上利用三维模型进行设计，其进气道则利用了CFD的成果，采用了与JSF相同的设计方案。进气道模块在洛·马的福特·沃斯航空工厂制造，安装在1架生产型F-16上，并在该地进行了试飞。当DSI安装在1架Block 30批次的F-16上进行了高度成功的验证试飞时，它才真正从概念成为了现实。试飞程序包括12次试飞，在1996年12月的9天内完成。首次试飞重在确定飞行包线和功能检测。其它的试飞则重在验证进气道性能特点，包括在水平和机动飞行中快速移动油门位置以确定进气道和发动机之间的相容性。飞行试验覆盖了F-16的整个飞行包线，并达到了最大速度M2.0。改装机的飞行品质在所有的迎角和侧滑角条件下，都非常接近生产型F-16。洛·马试飞员进行了2次飞行中发动机重新启动和164次加力点火，没有发生故障。其中52次加力点火是在高难度机动中进行的。在整个试飞中没有发生发动机失速和异常现象。新的进气道显示其亚声速性能特别是剩余功率方面略优于生产型进气道，证明取消附面层隔离装置对整个系统是有益的。试飞员表示，军用推力状态和推力特性和安装通用电气F110-GE-129发动机的标准型F-16非常相似。考虑到整个试飞计划的目的是验证这种先进进气道技术的生命力，这个结果是非常令人满意的。F-16的试飞验证了进气道的气动性能，而洛·马的JSF原型机X-35也对此进行了验证试飞。结果表明，根据CFD分析做出的性能分析和进气道气流稳定性预测与现实世界中的

情况是吻合的。

短暂的生命

生命短暂的F－16DSI验证机在验证了DSI进气道技术之后就陨落了，是那么的悄无声息。在与F－16系列战斗机的飞行性能相比较后，可以发现DSI验证机基本上具有常规进气道F－16的性能，尤其是可以降低飞机的结构重量以及提高飞机的隐身性能等。但是DSI技术限制了飞行速度，对机动性有一定影响。常规进气道设计重点是满足飞机主要的飞行性能要求及特征，相应就牺牲了其他状态下的一些品质。三代机中一些飞机部分优化了进气道与飞行性能之间的关系。而DSI技术的出现，是非线性系统线性化的过程，以此实现飞行状态与进气道之间的相互协调，提高了飞机在多种情况下的适应性。可以说DSI技术是航空发展过程中的一次大改进，但不是一种航空领域划时代的技术革命。

从20世纪70年代F-16开始装备部队开始，F-16已经走过了几十年的风风雨雨。F-16“战隼”战斗机是美国外销战斗机中销量最大的战斗机，是世界上最优秀的单发战斗机。目前F-16的发展型号主要包括：F-16A／B／CJD／N等，分单双座。目前服役的总数已经超过了2240架，并有继续增加的趋势。F-16DSI只是在1996年才开始作为一种验证机出现，在当时的情况下，世界上主要国家对这种飞机缺乏了解，当时的三代机并不把飞机的隐身性能作为设计重点，购买具有第四代战斗机性能的三代改型，在当时具有相当大的风险。而美国方面也不会在F-16的各项技术都分非常成熟之际，冒然去采购一种不为大家所认可的一种验证型机。这使得F-16DSI战斗机没有快速发展起来。DSI技术也有其自身的缺点，例如飞机在改善隐身性能的同时，却要付出超声速总压恢复系数小的代价，这对第三代战斗机来说，没有更多的优势存在，其超声速性能大打折扣。另外一方面，美国要发展隐身战斗机，对其各项指标都做出了具体的详细说明。4S技术将是F-22、F-35这样的飞机所必须具有的性能，在F-16战斗机的基础上进行升级改造出满足美军需要的第四代先进隐身战斗机，可能性很小。在这种情形下，F-16DSI很难量产。而即使作为一种过渡产品，美国也不会大力去发展。因为在当时，美国已经开始着手大力研制第四代战斗机了，F-16DSI验证机的生命力如此短暂也就不难理解了。

借鉴意义

纵观当今全球战斗机，到目前为止使用DSI进气道技术的战斗机只有F-35、JF-17、F-16DSI验证机以及网上流传的歼－10B了。而DSI技术在F-16上成功验证之后，也加快了F-35“闪电”Ⅱ发展的步伐。目前F-35“闪电”Ⅱ收到了来自世界范围内的大量订单，计划的预产量将超过2400架。可以说，DSI技术也是F-35得以有如此巨大客户的一个重要条件，毕竟美军方对F-35的各项技术的应用以及性能指标都是非常满意的。

我们国家的出口型“枭龙”战斗机的进气道设计，也应用了DSI技术。客观地说，“枭龙”性能上不如F－16，但是价格便宜很多。如果“枭龙”能在不增加费用的情况下，提高性能，从而提升性价比，这就会大大提高它的竞争力。DSI成了最好的选择，它可降低费用，可提高亚声速范围内的性能。至于超声速，“枭龙”设计本身并不追求高超声速性能。所以巴基斯坦空军对“枭龙”战斗机还是比较满意的。而网上盛传的，中国的歼－10B也将采用DSI进气道技术。或许随着技术的进步，第三代战斗机在应用DSI进气道技术的同时，对飞机其他各项性能的指标也都能够保证，使之成为真正意义上的接近第四代战斗机的3++代战斗机。然而事物都有两面性，DSI技术并没有那么先进。如果技术先进，美国人可以很容易地为其F－16装上早已设计好的DSI，因为F－16的进气道本来就是模块化设计的。DSI的技术对法国、俄罗斯等国家也应该不是高不可攀的技术。“阵风”之所以没用DSI可能也是因为要考虑超声速性能。DSI的鼓包和前掠式进气道的外形设计对性能影响很大，这也降低了DSI技术的进一步应用。F－35的DSI在设计中就多次修改，以提高性能。然而究竟DSI技术会在今后会发挥多大的作用，仍然需要时间去检验。

责任编辑：伟翼