李　浩

在F-16戰(zhàn)斗機的發(fā)展過程中，有一種型號不得不提。雖然它沒有投產，只是一種驗證機，但是它驗證的Divertless SupersonicIntakes(DSI)“無附面層隔道超聲速進氣道”技術，最后在F-35JSF聯(lián)合戰(zhàn)斗機上得以采用。在美國宣布減產甚至停產F-22戰(zhàn)斗機之際，F(xiàn)-35的訂購數(shù)量卻直線上升?？梢哉fF-16DSI驗證機為DSI技術在F-35的應用奠定了堅實的實驗基礎。雖然F-16DSI驗證機的出現(xiàn)的時間很短暫，但是它在戰(zhàn)斗機進氣道的發(fā)展史上做出了應有的貢獻。下面就讓我們認識一下F-16DSI驗證機。

研制背景

F-16DSI驗證機是伴隨著F-35戰(zhàn)斗機一起發(fā)展起來的。作為第三代戰(zhàn)斗機，F(xiàn)－16采用固定式皮托管進氣道。在第四代戰(zhàn)斗機還沒有問世之前，人們普遍把機動性和大推力作為三代機的重要設計特點，空優(yōu)飛機一直是第三代戰(zhàn)斗機的發(fā)展方向。因此具有隱身設計的DSI進氣道沒有得到當時的認可，再加上當時的計算流體力學CFD技術沒有現(xiàn)在這樣成熟，因此DSI進氣道沒有得到廣泛的應用。

洛克希德·馬丁公司的工程師早在上世紀90年代早期就開始研究傳統(tǒng)超聲速進氣道概念的替代方案。我們知道無論在亞聲速還是超聲速，在機身表面和壓縮斜面上都會形成這樣一個空氣層，也就是所謂的“附面層”。它實際上是機身表面(也就是空氣粘滯表面)和自由氣流(此處氣流處于自由流動狀態(tài))之間的一個區(qū)城激波和附面層的交互作用會增大紊流進而導致發(fā)動機壓氣機平面處無益的氣流畸變。如果激波／附面層交互作用增強到一定程度，進氣道將變得不穩(wěn)定，而發(fā)動機也會失速。附面層的厚度隨前機身長度(也就是機頭到進氣口這段距離)增大而增大。超聲速飛機的設計人員處理附面層現(xiàn)象的傳統(tǒng)方法是在附面層到達進氣道喉部之前改變附面層流向，同時將進氣道置于遠離附面層的自由流中——這里的氣流不受附面層現(xiàn)象的影響。傳統(tǒng)進氣道的復雜機構以及附面層隔離裝置，對于飛機的氣動性能和隱身能力都有影響，并且這樣的進氣道設計增加了飛機的操作成本和費用。通過取消復雜部件，每架飛機可以節(jié)省50萬美元的費用，效益相當明顯。另外，DSI進氣道是針對第四代隱身戰(zhàn)斗機的隱身需求而設計的一種在性能上可以與三代機相媲美而特別注重隱身性能設計的先進進氣道。洛-馬公司試圖取消和附面層控制有關的復雜結構：附面層隔離板、放氣系統(tǒng)、旁通系統(tǒng)。通過取消這些機構，設計人員可以從飛機上減輕大約150千克的重量。最后的研究結果就是如今的DSI，或叫做蚌式進氣道或鼓包式進氣道。

DSI技術初探

DSI是無附面層隔道超聲速進氣道的英文簡稱，由兩部分組成：鼓包和前掠式進氣道。附面層是指空氣流過飛機時，貼近飛機表面、氣流速度由層外主流速度逐漸降低為零的那一層空氣流動層，速度和壓力極低。附面層進入進氣道后，與激波作用會導致進氣道內氣流紊亂，甚至增強到使進氣道不穩(wěn)定直至發(fā)動機失速。所以，現(xiàn)在超聲速戰(zhàn)斗機都設計有附面層隔道，吹除附面層。而美國最先進的F-22“猛禽”戰(zhàn)斗機放棄使用DSI進氣道，一個重要的原因就是考慮到飛機超聲速巡航時，DSI進氣道沒有固定式進氣道更能符合飛機的超聲速巡航要求。DSI進氣道，它采用一個固定的鼓包來模擬以前進氣道中的一、二級可調斜板，并能夠達到對氣流的壓縮，以及簡化結構、隱形的目的。DSI進氣道與常規(guī)進氣道相比，有三個主要優(yōu)點：一是采用“錐形流”乘波設計，總壓恢復較高；二是減小了飛機迎風面的阻力，提高了飛機的隱形性能，三是不設計輔助進氣門和放氣門，取消附面層隔道后飛機可以減重數(shù)百千克，大大減輕了飛機的結構重量?？傮w來看，DSI進氣道具有結構簡單、重量輕、阻力小、隱形等特點。而且DSI對速度適應范圍很廣，我們國家的FCI“梟龍”戰(zhàn)斗機采用DSI后甚至可以取消進氣道后的放氣門，對減輕飛機重量，提高戰(zhàn)術性能有極大好處。洛·馬公司為設計F-35，對一架F-16改裝了DSI進氣道。試驗結果表明，在1馬赫下，DSI比F16的皮托管進氣道略有優(yōu)勢，超聲速情況下，與之相當。然而DSI有眾多優(yōu)點值得我們去研制這種進氣道的同時，我們也發(fā)現(xiàn)該進氣道的一些缺點。目前主要集中在兩點：一是前面提到的超聲速性能；二是大迎角性能。如果DSI進氣道要提高在這些方面的性能，可能還需要進行更大的改進和設計。

驗證機試飛實驗概況

在DSI被洛·馬JSF設計師采用的同時，設計師就明白它會被認為比F-22的后掠式進氣道具有更高的風險，為此他們經由當時的麥道公司改裝了1架F-16進行DSI驗證來降低技術風險。F-16的模塊化進氣道設計使得它可以裝上DSI模塊而無需對前機身和中機身進行重大改造。根據現(xiàn)有的F-16進氣道設計，新的進氣道模塊將成為前機身的組成部分，從其前緣開始直到前機身與中機身接合部(機身站位243處)處和原進氣道融合。壓縮面被置于前機身座艙下方，不會影響前機身其它部分或舭線。擴壓段前部進行了重新設計，在新的進氣口和現(xiàn)有擴壓段(機身站位243處之后部分)之間形成一個過渡。F-16DSI是在工作站上利用三維模型進行設計，其進氣道則利用了CFD的成果，采用了與JSF相同的設計方案。進氣道模塊在洛·馬的福特·沃斯航空工廠制造，安裝在1架生產型F-16上，并在該地進行了試飛。當DSI安裝在1架Block 30批次的F-16上進行了高度成功的驗證試飛時，它才真正從概念成為了現(xiàn)實。試飛程序包括12次試飛，在1996年12月的9天內完成。首次試飛重在確定飛行包線和功能檢測。其它的試飛則重在驗證進氣道性能特點，包括在水平和機動飛行中快速移動油門位置以確定進氣道和發(fā)動機之間的相容性。飛行試驗覆蓋了F-16的整個飛行包線，并達到了最大速度M2.0。改裝機的飛行品質在所有的迎角和側滑角條件下，都非常接近生產型F-16。洛·馬試飛員進行了2次飛行中發(fā)動機重新啟動和164次加力點火，沒有發(fā)生故障。其中52次加力點火是在高難度機動中進行的。在整個試飛中沒有發(fā)生發(fā)動機失速和異常現(xiàn)象。新的進氣道顯示其亞聲速性能特別是剩余功率方面略優(yōu)于生產型進氣道，證明取消附面層隔離裝置對整個系統(tǒng)是有益的。試飛員表示，軍用推力狀態(tài)和推力特性和安裝通用電氣F110-GE-129發(fā)動機的標準型F-16非常相似?？紤]到整個試飛計劃的目的是驗證這種先進進氣道技術的生命力，這個結果是非常令人滿意的。F-16的試飛驗證了進氣道的氣動性能，而洛·馬的JSF原型機X-35也對此進行了驗證試飛。結果表明，根據CFD分析做出的性能分析和進氣道氣流穩(wěn)定性預測與現(xiàn)實世界中的

情況是吻合的。

短暫的生命

生命短暫的F－16DSI驗證機在驗證了DSI進氣道技術之后就隕落了，是那么的悄無聲息。在與F－16系列戰(zhàn)斗機的飛行性能相比較后，可以發(fā)現(xiàn)DSI驗證機基本上具有常規(guī)進氣道F－16的性能，尤其是可以降低飛機的結構重量以及提高飛機的隱身性能等。但是DSI技術限制了飛行速度，對機動性有一定影響。常規(guī)進氣道設計重點是滿足飛機主要的飛行性能要求及特征，相應就犧牲了其他狀態(tài)下的一些品質。三代機中一些飛機部分優(yōu)化了進氣道與飛行性能之間的關系。而DSI技術的出現(xiàn)，是非線性系統(tǒng)線性化的過程，以此實現(xiàn)飛行狀態(tài)與進氣道之間的相互協(xié)調，提高了飛機在多種情況下的適應性?？梢哉fDSI技術是航空發(fā)展過程中的一次大改進，但不是一種航空領域劃時代的技術革命。

從20世紀70年代F-16開始裝備部隊開始，F(xiàn)-16已經走過了幾十年的風風雨雨。F-16“戰(zhàn)隼”戰(zhàn)斗機是美國外銷戰(zhàn)斗機中銷量最大的戰(zhàn)斗機，是世界上最優(yōu)秀的單發(fā)戰(zhàn)斗機。目前F-16的發(fā)展型號主要包括：F-16A／B／CJD／N等，分單雙座。目前服役的總數(shù)已經超過了2240架，并有繼續(xù)增加的趨勢。F-16DSI只是在1996年才開始作為一種驗證機出現(xiàn)，在當時的情況下，世界上主要國家對這種飛機缺乏了解，當時的三代機并不把飛機的隱身性能作為設計重點，購買具有第四代戰(zhàn)斗機性能的三代改型，在當時具有相當大的風險。而美國方面也不會在F-16的各項技術都分非常成熟之際，冒然去采購一種不為大家所認可的一種驗證型機。這使得F-16DSI戰(zhàn)斗機沒有快速發(fā)展起來。DSI技術也有其自身的缺點，例如飛機在改善隱身性能的同時，卻要付出超聲速總壓恢復系數(shù)小的代價，這對第三代戰(zhàn)斗機來說，沒有更多的優(yōu)勢存在，其超聲速性能大打折扣。另外一方面，美國要發(fā)展隱身戰(zhàn)斗機，對其各項指標都做出了具體的詳細說明。4S技術將是F-22、F-35這樣的飛機所必須具有的性能，在F-16戰(zhàn)斗機的基礎上進行升級改造出滿足美軍需要的第四代先進隱身戰(zhàn)斗機，可能性很小。在這種情形下，F(xiàn)-16DSI很難量產。而即使作為一種過渡產品，美國也不會大力去發(fā)展。因為在當時，美國已經開始著手大力研制第四代戰(zhàn)斗機了，F(xiàn)-16DSI驗證機的生命力如此短暫也就不難理解了。

借鑒意義

縱觀當今全球戰(zhàn)斗機，到目前為止使用DSI進氣道技術的戰(zhàn)斗機只有F-35、JF-17、F-16DSI驗證機以及網上流傳的殲－10B了。而DSI技術在F-16上成功驗證之后，也加快了F-35“閃電”Ⅱ發(fā)展的步伐。目前F-35“閃電”Ⅱ收到了來自世界范圍內的大量訂單，計劃的預產量將超過2400架。可以說，DSI技術也是F-35得以有如此巨大客戶的一個重要條件，畢竟美軍方對F-35的各項技術的應用以及性能指標都是非常滿意的。

我們國家的出口型“梟龍”戰(zhàn)斗機的進氣道設計，也應用了DSI技術?？陀^地說，“梟龍”性能上不如F－16，但是價格便宜很多。如果“梟龍”能在不增加費用的情況下，提高性能，從而提升性價比，這就會大大提高它的競爭力。DSI成了最好的選擇，它可降低費用，可提高亞聲速范圍內的性能。至于超聲速，“梟龍”設計本身并不追求高超聲速性能。所以巴基斯坦空軍對“梟龍”戰(zhàn)斗機還是比較滿意的。而網上盛傳的，中國的殲－10B也將采用DSI進氣道技術?；蛟S隨著技術的進步，第三代戰(zhàn)斗機在應用DSI進氣道技術的同時，對飛機其他各項性能的指標也都能夠保證，使之成為真正意義上的接近第四代戰(zhàn)斗機的3++代戰(zhàn)斗機。然而事物都有兩面性，DSI技術并沒有那么先進。如果技術先進，美國人可以很容易地為其F－16裝上早已設計好的DSI，因為F－16的進氣道本來就是模塊化設計的。DSI的技術對法國、俄羅斯等國家也應該不是高不可攀的技術?！瓣囷L”之所以沒用DSI可能也是因為要考慮超聲速性能。DSI的鼓包和前掠式進氣道的外形設計對性能影響很大，這也降低了DSI技術的進一步應用。F－35的DSI在設計中就多次修改，以提高性能。然而究竟DSI技術會在今后會發(fā)揮多大的作用，仍然需要時間去檢驗。

責任編輯：偉翼