升力体不是万金油

大水

众所周知，美国F-15战斗机是世界三代机中的王牌，它体重轻、设备强、发动机推力大、加速性和机动性好，在迄今为止的空战中无一失利。苏联/俄罗斯的苏-27战斗机就是为了对抗F-15而设计的。二者的加速性机动性基本同一水平。但苏-27内油几乎多一倍，所以航程比F-15远80%～90%。苏-27的挂点多达12个，挂点之间距离比较远，气动干扰比较小、阻力比较低，便于挂载多种多样的重型武器。从这个角度上来说，苏-27设计比F-15优秀很多，这在很大程度上源于苏-27所采用的升力体设计。

然而苏-27的升力体设计很大程度上是不得已而为之。虽然它取得了成功，但同样的设计思路延续到苏-57（也就是T-50）上，并没有带来成功，反而导致了彻底的失败。

苏-27升力体设计的成功

众所周知，战斗机是一种对抗性极强的兵器，需要在海平面到20千米高空，300千米每小时到2500千米每小时的速度，从零下70℃到零上50度70℃，白天、黑夜、晴天、雨天、大雾全天候飞行。高强度的对抗需要战斗机具有爬升快、加速快，盘旋好、掉头快，大迎角性能好，机体轻、结构强等特点，能做9g以上的高机动。所以特别讲究重量轻、升力大、阻力小、推重比大。

飞机空重由结构、发动机、设备三部分构成，在减重设计时需要从三个方面同时着手。飛机机体材料的要求是：高强度、低密度、寿命长、耐腐蚀、容易加工。三代机一般采用铝合金、钛合金外加钢合金，外加少量的复合材料。前苏联在研制苏-27战斗机的时候，在材料指标比美国落后不少。F-15战斗机采用了20%的钛合金，包括整个后机身、中机身、机翼大梁。而苏-27仅仅在后机身框上采用了一些钛合金，在中机身下壁板采用了钛合金焊接蒙皮。

飞机设备重量的主要来源于火控雷达、显示控制设备，以及飞控设备、导航通信设备等。其中最重、最复杂的就是雷达。苏联＼俄罗斯的电子工业一直严重落后，同类设备重量都是美国的5倍以上，其它指标也落后很多。

同样的落后也存在于航空发动机上。苏联发动机总是不能在像美国货那样在推力、重量、寿命、可靠性之间取得平衡，只能考虑突出推力和重量性能，牺牲寿命和可靠性。说句题外话，法国人的做法则相反，在材料工艺落后的情况下优先保证发动机寿命和可靠性，牺牲了推力和重量指标。这也是法国飞机性能在同时代机型中偏低的主要原因。

F-15在1969年公开后，苏联开始设法研制对抗型号。最简单直接的办法就是按照F-15的气动进行山寨，米高扬设计局和苏霍伊设计局都是如此。但是经过计算，由于苏联材料工艺落后，发动机油耗高、重量大、推力小，全机航电设备几乎比F-15的重2吨。即使增加边条和前缘襟翼来增强机动性，性能也仅仅比美国上一代战斗机F-4好一点而已，对F-15毫无优势。

既然此路不通，苏联开始考虑在T-4轰炸机和图-144飞机上有所实践的升力体设计。传统飞机机身对全机的升力贡献只有几个百分点。而升力体飞机机身经过特殊设计，可以提供全机30%左右的升力。也就是说，使用升力体设计的飞机可以在重量大30%的情况下，飞行性能与常规设计飞机基本持平。

起初，苏霍伊设计局对升力体的看法很简单，采用了类似图-144超音速客机的S型机翼前缘，2台发动机吊舱的间距比较大。为了尽量提高航程而增加展弦比，得到了一个4000千米航程性能的布局。

同时他们也注意到，同样是升力体设计的美国海军F-14战斗机。这个型号由于采用了变后掠翼和复杂的航电设备，机体特别笨重。但采用了升力体设计后，它居然具备了超乎想象的升阻比特性，高速性能很好，内油很少但是航程很远。于是苏霍伊设计局认为，可以在F-14战斗机升力体的基础上继续推进，形成一种更高性能的飞机。实际上，从气动的角度来说，苏-27在某种程度上可以认为是一种40度左右后掠角固定机翼的F-14。

最终，苏-27气动构型基本就定为：大型机头装高性能雷达；机头两侧采用S型尖锐边条，后掠角82度左右，边条后接后掠角40度、展弦比为4的机翼。机翼前缘有自动偏转的襟翼，2台发动机吊舱分开挂在机翼之下。而双垂尾在发动机吊舱之外布置，便于大迎角机动，避免普通单垂尾飞机机头和机身的遮挡造成的舵效降低问题。

苏霍伊设计局认为，这个构型的基本性能比F-15高出20%左右，获得了苏联军队的认可。米格设计局也借用了苏霍伊设计局的构思，在后来的米格-29项目中利用了升力体思路优化了设计。并提出了类似于苏-27的机身方案。

苏霍伊设计局最初给出的指标还是很科学的：航电设备重量1.2吨，发动机推力100千牛，正常起飞重量20吨。在这种情况下可以做到和F-15抗衡。

随着项目不断推进，航电设备重量从原来的1.2吨变成2.5吨，几乎翻了一番。在这种情况下，设计师只好提高发动机推力，将每台发动机推力提高到125千牛。尽管如此，不断上涨的航电设备重量已经把升力体方案的优势一点点吞没，性能优势远远没有原先设想的那么大了。

在研制过程中，由于升力体方案表现出极其明显的优势，苏霍伊设计局还考虑了精简型升力体方案，就是将2个发动机并拢。这种方案保留了升力体的升阻比优势，还降低了结构重量。而且两台发动机并拢后，飞机围绕纵轴的转动惯量大幅度减小，滚转特性也变好。发动机间距变小后，一旦单发失效的配平力矩也变小，垂尾尺寸也可以相应减小。实际上，这个精简版设计与美国FX战斗机项目中被F-15方案击败的诺斯洛普公司方案有异曲同工之妙。

如果不过度追求航程，并且考虑外挂副油箱战斗，精简版的风险比实际的苏-27小，而且更轻、发动机要求推力更低，机动性则基本持平。然而，双发间距缩小会导致阻力不断增加，升阻比优势不断缩小，亚音速和超音速性能都受影响，减重优点被增大的阻力严重抵消。

如果反其道而行之，增加发动机间距，会有什么结果呢？苏霍伊设计局曾经测算过3米间距的方案，发现这个方案的升阻比不理想，单发停车配平能力要求更高，结构重量也要增加。因此并不可取。

事实上，两个发动机短舱之间留出一个1米左右宽的气流通道是比较合适的。这个从机头到机身的气流通道可以使飞机的气动阻力大幅度减小，增加航程。这也成了苏霍伊设计局的法宝。

总体布局确定之后，为了充分利用升力体的优势、克服航电设备重量上涨带来的不利影响，苏霍伊设计局把苏-27几乎每个纵向剖面都设计成上凸下平的形状，包括机头、进气道，甚至发动机吊舱也是如此。为此不惜让发动机喷管直接向下弯曲。

苏霍伊设计局的努力得到了回报。F-15航电设备总质量只有600千克，而苏-27航电达到2250千克，其中N001雷达就占了980千克。F-15内油只有5吨，苏-27却达到了10吨。但由于苏-27采用升力体布局，超高的升阻比特性克服了低劣航空电子设备带来的劣势，最终机动性指标与F-15相差不大。F-15虽然更加紧凑、机翼结实，但是细节气动设计比较差。F-15升力系统没有采用尖锐边条翼而是采用了圆钝的粗大整流罩，阻力大、升力作用小。而且，F-15为了简化机翼设计，取消了前缘襟翼设计，机翼前缘很粗、高速阻力大，实际的大迎角特性不如加前缘襟翼的设计。为了简化飞机设计难度，早期F-15取消了原定的电传飞控系统，机动性不如苏-27和F-16。而且苏-27机体大、挂点多，改进潜力也比F-15大很多。就这样，苏-27得到了全世界的赞赏和客户的青睐。在很长时间里，它也是唯一能与F-15相抗衡的战斗机。

照猫画虎的苏57必然失败

苏联/俄罗斯虽然通过采用升力体方案、精心设计气动布局和总体方案，使苏-27在一定程度上压倒了F-15。但这样的奇迹没有延续下去。

到了90年代，美国正式启动先进战术战斗机计划，F-22胜出。这是自F-117攻击机之后，美国战术飞机第二次冲击隐身科技的大门，大获成功。随后的10多年，F-22在隐身、超音速巡航、高机动、综合航电上得到了无与伦比的成功，在亚音速格斗和超音速机动上都取得了相对于三代机的绝对优势。就机动性而言，任何一款三代机都远远不是F-22的对手。

俄罗斯决心研制一款新的型号来对抗F-22。由于米高扬设计局在米格-29的销售上不理想，设计局缺乏经济实力开发新的隐身战斗机，俄罗斯政府挑选了苏霍伊设计局承担下一代战斗机的任务。

由于经济条件的严重限制和苏联解体带来的工业基础大面积崩溃，俄罗斯的战斗机研发能力受到了极大的消弱。苏霍伊设计局曾经提出了十几款隐身战斗机方案，很多方案和F-22类似，突出隐身和超音速巡航。然而，苏霍伊设计局最终选择了一种匪夷所思的设计，这就是后来的T-50。

这个型号一出现，就得到了很多负面的评价，比如：“机头拍扁的苏-27”、“发动机间隔填平一半的苏-27”、“F-22的退化版”，等等。

这并不说明苏霍伊设计局的设计能力退化了。相反，这是苏霍伊设计局在各种限制条件下所能拿出来的最现实方案。国力严重衰退的俄罗斯人无法承担研制F-22那样的庞大投入，包括新的实验室、材料、设计软件都对当时的俄罗斯而言难以实现，特别是无力研制适应F-22布局的发动机。以当时俄罗斯的发动机性能，如果采用类似F-22的S型进气道，会导致很大的推力损失。如再采用二元矢量推力，增重会达到无法接受的程度。苏-27曾经改用二元推力矢量发动机进行飞行试验，结论是飞机增重太多、发动机推力下降严重、性能大幅度下滑。实际上，F-22的布局同样存在着着亚音速升阻比不高、航程不突出的问题。但美国空军对航程要求不如俄罗斯高，F-22的这个缺点可以接受。俄罗斯因为领土辽阔，战斗机必须有大航程，这样才能使得战术飞机维持足够广的作战空域，同时可以有效的优化装备的采购费用结构。

为了在现有条件下满足俄罗斯的国情要求，苏霍伊设计局被迫采用了我们所看到的苏-57进气道布局：沿用苏-27的直通进气口斜板外压方式，发动机进气口风扇直接露出来。这种设计具有最高的进气效率和高速性能，而且设计制造简单。此外，将发动机中间的空间向下填平0.5米左右做弹舱，保留原有的苏-27升力体框架。这样的设计可以沿用苏-27的经验，有最高的升阻比。

但省事总会带来另外的麻烦。苏-57的弹舱被发动机吊舱紧紧左右夹住，导弹投射时会面临很多气动干扰问题，尤其是超音速状态下。而从苏-57的前后弹舱门结构来分析，两个弹舱内至少有两枚导弹。这样，导弹投射时距离发动机吊舱比苏-27近得多。而且由于弹舱深度比较小，无法采用大行程的伸缩式投弹挂架。弹舱的设计可能一直没有完善，估计这也是苏-57一直不打开弹舱展示的原因之一。而美国的F-22和中国歼20战斗机，都采用类似的中机身腹部并列大型弹舱设计，两个弹舱总宽度2米左右，可以很容易地布置6枚中小型导弹或者4枚大型导弹。

苏-57身上出现了出了机头大体外形和平尾边缘对齐这样的粗糙设计，对四代机来说是不合格的。而且机身接缝基本没有采用锯齿设计，大部分接缝还是垂直于机身轴线的非隐身设计。最致命的问题在进气道可动斜板上，它所在位置必然是矩形的。矩形管道对雷达反射来说是一个很强的共振腔体，可以将入射雷达波的大部分反射回去。这是隐身飞机设计的一大忌讳，却出现在了苏-57身上。

俄罗斯之所以在苏-57隐身设计上遭到失败，与俄罗斯雷达专家给苏霍伊设计局提供了错误数据是有关的。俄罗斯有关方面过于低估了F-117和F-22的隐身性能，完全失去了研制苏-27时的新技术敏感性。俄方对F-117、F-22的雷达反射截面积推算结果，比美国人公布的数据高10倍以上。如果说海湾战争时F-117成功突破苏制雷达、导弹防护网，使俄罗斯对隐身技术有所心动的话，1999年F-117遭俄罗斯SA3导弹击落，使俄罗斯雷达专家更坚信了自己的看法：美国人完全是在吹牛。俄罗斯专家相信，只要在现有雷达基础上做个简单升级，比如把雷达功率加倍，即可轻松恢复三代机时代的技术平衡。他们也正是这么做的，苏-57使用了大功率的有源相控阵雷達，号称能发现400千米之外的三代战斗机，100千米-120千米外的F-22。