6代机超重问题的解决关键在哪里?

飞机与氢气球或热气球不同,它们不依赖于自身比空气轻来实现升空飞行。相反,飞机一直以来都是比空气密度更大的飞行器,借助机身和机翼之间的气压差异来实现独特的飞行。因此,为了获得更高、更远、更经济的飞行性能,减轻飞机机身的自重一直是各代飞机追求的核心气动性能指标之一。

在二战末期,随着喷气推进技术的出现,几乎同时出现了采用全金属骨架和蒙皮的“硬质”飞机。然而,当时从战斗机到大型运输机和客机,除了主要结构如主龙骨、机翼梁和起落架等骨架部分使用钢材制造外,其他部分从支撑肋骨到蒙皮,基本上都采用铝镁合金制造。钢材仅占飞机总重量的很小比例,而航空铝镁合金的密度也不算大,因此在那个时期的第一代和第二代战机中,除了一些特殊型号如米格25等使用纯不锈钢的情况外,普通型号很少存在超重问题。

然而,到了三代机的时代,除了主龙骨、机翼梁和起落架等主要结构仍继续使用钢材外,主框架、支撑肋骨甚至蒙皮开始广泛采用强度更高但密度更大的钛合金。这导致部分三代战机,特别是单发的三代战机,开始出现超重的问题。而到了以F22A为代表的隐形战机时代,也就是早期所谓的第四代战机;后来普遍调整为第五代隐形飞机的阶段,机身超重的问题迅速恶化!无论是F22A还是F35,它们的机身超重问题都非常严重。那么为什么这两种第五代隐形飞机如此严重超重呢?尽管大量采用钛合金材料来制造机身是导致超重的一方面,但实际上这两种战机在广泛使用钛合金减轻机身重量的同时,也采用了比例较大的新型复合材料来减轻重量。因此,机身超重的根本原因并不是航空主材料的问题。

对于F22A和F35来说,这两种飞机内部都配备了大量先进的系统,这些系统早期的三代机上没有。这才是导致机身超重的根本原因。F22A内部具有一套前所未有的液氦循环冷却系统,也有说法是更低档次的液氮循环冷却系统。这一系统可以为发射功率很大的机头有源相控阵雷达和发动机喷口部分提供循环冷却。仅仅这套系统就增加了3吨,甚至3吨半的机身自重。这导致服役版本的F22A的实际机身自重超过了19.5吨!即使是体积相似的双发大型舰载飞机都没有如此重。尽管配备了两台当时推力领先的F119先进发动机,由于自重过大,F22A的实战机动性并不强。最近的高空遭遇战中,F22A几乎在失速的边缘,直接证实了这款全球首款重型隐形飞机的明显“超重”。

到了技术发展较晚的F35系列飞机,自然无法再使用F22A的液氦冷却系统。因此,它们引入了使用自带燃油进行冷却的系统;但这种燃油冷却效果并不佳。而且需要同时冷却雷达和发动机,由此产生的管路和驱动泵的自重至少有1吨多。这个问题在六代机上变得更加严重!那么如何解决这个问题,我们将在明天的讨论中继续阐述。

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