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L15设计往事:亚声速还是超声速?艰难的道路之选

 友里 2021-11-17

11月14日,在第17届迪拜航展的开幕式上,中国高教机L15通过飞行表演展示了其优异的飞行性能。

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事实上,在L15的设计发展中,该机要不要具备超声速飞行能力,在很长时期内都是一个非常具有争议性的话题,并引发了一些更为深入的衍生探讨——

比如在考虑发动机选型的情况下,L15如果采用“两步走”的方式,即先发展亚声速型号,再发展超声速型号,其设计制造工作会不会能更快速、顺利?

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这就又引出了一个很有意思的问题:为什么人类在上世纪40年代就进入了超声速飞行时代,但今天我们还需要讨论军用教练机是否应该超声速飞行?亚声速和超声速到底各自有什么优劣,以至于无法相互取代?

亚声速:经济实惠、轻松可靠

教练机选择亚声速的理由其实很实际,主要着眼于其经济性和可靠性。因为要实现超声速飞行功能,飞机在设计、制造、试验、使用维护上的成本,都要高得多。

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教练机使用成本与最大速度的关系。可以发现,飞机进入跨超声速阶段后飞行成本立刻暴涨。

比如从设计来讲,在进入超声速飞行状态后,飞机会遭遇气动焦点后移、空气压力急剧升高等一系列变化……而要在设计阶段就解决这些问题、并通过试验、试飞进行验证,都需要大量的工作和资金——这些都是亚声速飞机不需要考虑的问题。

在结构上,亚声速飞机由于对高速阻力的敏感性要低很多,因此机翼等结构部件仅需要承受更小的压力,机身的强度和刚度要求也更低,而机体自身的厚度和重量也可以更大……这都大大减少了飞机的设计制造难度成本,更降低了使用过程中的维护需求。

此外,在发动机的选取上,亚声速教练机也通常不需要加力燃烧室,这同样大大降低了发动机的采购和使用成本。

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雅克-130使用的AL-222-25发动机。由于没有加力燃烧室,因此发动机很短很紧凑,最大排气温度也很低,喷管截面积很小。

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L15所使用的Al-222k-25F发动机。加装加力燃烧室和可调喷管,尺寸大得多,更重、油耗也更高,当然价格也更贵。

但是上世纪八九十年代之前,亚声速教练机在对战斗机飞行特性模拟上存在一个传统缺陷:在以前的设计中,飞机在亚声速和超声速状态下,由于其完全不同的飞行特性,飞机开起来像两种完全不同的飞机,这使得亚声速教练机完全无法模拟超声速教练机的训练模式。

但随着技术上的进步,这一缺陷慢慢变得不那么突出——

受气动、飞控、结构的限制,二代机和部分早期三代机存在低速和高速时操纵特性差别巨大的情况。对于部分型号甚至存在高速下副翼反效的情况:往左压杆飞机反而会向右翻滚。

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雅克-130,注意尾喷口的设计。

因此一部分人坚持认为,为了适应二、三代战斗机的训练任务,应该使用衍生的同型双座教练机进行飞行训练,这样才能令飞行训练目标更明确、更有效率。亚声速的雅克130就是这种观点下产生的型号。

此外,随着全权限电传飞控等先进技术的运用,新一代战斗机的操纵特性得到了非常大的优化和协调统一,低速和高速时飞起来像两种完全不同飞机的情况已经不复存在。

这使得亚声速教练机在训练中能够部分模拟超声速战斗机的操纵特性。加上其既有的低成本、易维护、高可靠性等优势,亚声速教练机的概念在相当长的一段时间内都很有市场。

超声速:高级任务,战斗功能

在实际工作中,我国坚持新一代教练机应该具备超声速性能。这样的坚持主要源于两点考虑:

1、从全球主流战斗机的发展趋势来说,新一代教练机值得为更高的飞行性能付出更大的成本。

从上世纪80年代以来,全球主流战斗机的持续高过载机动能力越来越强,价格越来越昂贵……同时,五代机也普遍不设计同型教练机——这些都意味着,战斗机的飞行时数和高过载次数正在比以往变得更加昂贵。

在这样的背景下,要更好的发挥战机的实力,就必须让飞行员在驾驶战斗机飞行时将跟多精力放在机载系统实际运用能力的磨炼和战术决策能力的发展上。

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如果在超声速教练机上多飞、多练一小时,能够减少在四代机上同样时长的非必要训练,飞行训练的成本就会节省很多。

在这种背景下,专业教练机如果要大量分担从战斗机上转移过来的高级飞行技能训练任务,就必须具备更强的飞行性能:包括更强的爬升和加速能力,更广阔的飞行速度范围——其中,超声速飞行能力就是最为基本的性能要求。

尽管教练机本身会为此付出更高的成本,但考虑到节约下来的战斗机飞行时数和高过载机动次数,整体成本依然是更加经济的。

2、具备超声速飞行能力的型号在全球范围内会拥有更大的市场份额。

从市场定位的角度来说,超声速高级教练机的功能不仅仅是简单的飞行教练/训练,同时还具备改型为轻型战斗/攻击机的潜力。

全球诸多财力有限,国土纵深不足的国家和地区,在空防方面往往无力维持多种机型、规模较大的军用飞机编制,也不需要更大的载荷、航程,或者性能。因此一种空重在6至7吨,同时具备教练和战斗功能的机种就会显得相当有吸引力。

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特别是新一代高级教练机普遍引入了涡流增升、放宽静稳定等先进技术,起降速度都很低,在实际使用中也能够与螺旋桨动力的初级教练机进行良好衔接。

这意味着在预算有限的情况下,很多国家仅需要两种型号的教练机,就能完成从招收飞行学员到制空、对地攻击的全部训练作战任务。即便对于一些更为宽裕的国家,如果能多多引入这样的轻型战机平台来维持空军编制,适当减少主力战斗机的数量、年飞行时数和过载次数,从而减少训练成本,这也是非常有吸引力的。

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综合来说,对于高性能教练机来说,无论亚声速还是超声速方案,都有各自的显著优点,这也是令人难以在两者之间做出抉择的原因。从全球军贸市场的现有型号来看,两种路线都衍生出了获得广泛市场认可的典型型号。而从L15的性能表现来说,完全有能力在国际市场上大有作为,前景值得期待。

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