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中国航空工业产业链是怎么厚积薄发的

发布时间:2024/12/18 16:27:44   
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中国早已被全球封锁憋出了一条完整的航空工业产业链,歼-10的出现其实已经标志着这条产业链开始走上了自己的厚积薄发之路。

那么这条产业链是怎么个“厚积薄发”的呢?

在五代机的研发中,有三个重要的项目是无法靠买买买来完成的,因为它们都是“玄学”。

01“玄学”一:算不出的外形

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外形一直是飞行器的核心技术,它直接关系到飞行器的各项关键性能。

但不同用途的飞行器变量太多,空气流动的形态又太过复杂,所以靠人类当前的科技水平还无法仅通过理论计算去得出一个外形的最优解。怎么办呢?只能靠大量反复的试验把这个最优解试出来,这时候就需要一个关键设备:风洞。

设计师可以拿飞机模型去风洞里吹风,得到大量机身周围的气流数据,并在此基础上反复对飞机外形进行调整。优秀的飞行器外形都是靠着无数次风洞试验实打实吹出来的。

所以风洞是航空航天工业里最重要的基建之一。

这个玩意并非什么稀罕货,很多国家也都有,且在各行各业都有应用。比如汽车在设计外形时就会用到风洞去测试包括风阻在内的各项指标。

另一方面,风洞也分三六九等。虽然普通的风洞随处可见,但高级的风洞就比较稀罕了。比如说战斗机是要超音速飞行的,一些高速导弹更是会飞出几倍的音速,这就意味着需要风洞吹出几倍音速的风出来,这和那些吹汽车的风洞完全不是一个概念。

既然是高级货,建造起来自然不会容易,实际上高级风洞的建造充满了各种矛盾:

风速要快,风洞的尺寸就很难做大,但飞机工程师肯定希望风洞越大越好,因为放进去的模型比例越接近实物,实验误差就越小。

风洞用来吹的气体都是事先储存好的,而如果吹风的速度很快且风口的尺寸又很大的话,那么一下子就会把储存的气体用完了。而风洞实验需要持续地观察气流变化,所以风洞每次吹风的持续时间肯定是越长越好。

这些要求凑在一起,对于工程学来说就是个灾难。如果一定要同时满足,那么其建造的难度和成本就会呈指数级飙升,而且还会带来巨大的能耗(可能要达到一个小城市耗电功率),这对储能设备又是一个挑战.....

更难的是,对于一个完整的航空产业链来说,一两个风洞是远远不够的。你需要大量不同类型的风洞来对各种各样的飞行器进行实验,这意味着如果要撑起一套完整的航空产业链,你得准备一整套风洞群。

如果只是一两个高级风洞的话,普通国家咬咬牙也不是不能建,但大规模风洞群就只有超级大国才能玩得起了。

如果没有高级风洞的支撑,研制外形复杂的五代机就没有底气,最典型的案例就是韩国的KF-X。

该机是除中美俄的五代机外进度最快的准五代机,但由于缺乏风洞进行充分实验,连内置弹仓开舱发射导弹的简单动作都测试不了,结果只能暂时放弃内置弹仓,将导弹都挂在外面(以后找美国风洞解决)。

外挂设备严重破坏了飞机的隐身性能,导致其连五代机的及格线都达不到。

相对于发达国家,我国在风洞研制方面的起步是比较晚的。到了年,我国的第一座超音速风洞才开始投入使用。

从成本上来说,风洞体系的研发建设投资巨大,而且还需要长期大量的技术积累。如果这个世界上有现成的风洞体系,那么租用这个体系来做实验确实要比自己从头开始造高效得多。

只是这条容易的道路对于中国来说从来就不存在:没人愿意借给我们用。

所以中国不得不从零开始靠自己一砖一瓦的把整个风洞体系给搭建起来。虽然起步是晚了点,但是风洞这个项目嘛,它本质上也是一种基建,所以,你懂的...

基建狂魔埋头建风洞建到现在,已经实现“赶美超俄”,建成了世界上品类最全的风洞群:绵阳风洞群。

这里亚音速风洞、超音速风洞、高超音速风洞一应俱全。其中世界上第一个高超音速风洞(5-10倍音速)就是中国搞出来的,这从侧面反映了中国在风洞领域的变态实力。

有了变态的风洞,就能造出变态的飞行器

例如国庆阅兵展示的东风17弹道导弹:

这家伙可以在射入太空后再高速砸向地面,然后在大气层高速打水漂,其变化多端的轨迹几乎无法被拦截。

东风17的外形虽然大大方方的公布,但你看了也没用,高速飞行器的外形设计差之毫厘失之千里,没有高超音速风洞的反复试验根本做不出来。

可以说风洞的水平决定了飞行器性能的上限,以至于业界一直流传着一句话:“一代风洞,一代飞行器”。

根据最新的报道,我国在今年又建成了最新的超高音速风洞JF22。它的风速超过了30倍音速,瞬时输出功率接近一个三峡,技术水平领先西方国家20年以上,在这个星球一骑绝尘。

02玄学”二:搞不清的雷达波

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五代机的外形除了要满足强大的飞行性能需求外,还要能满足隐身的需求。这就需要精心设计飞机外观的几何斜面,任何细节都不能放过,以确保雷达波不按原路返回。

设计师可以在纸面上大致设计出一个隐身外形,但具体到真实的飞机上,是不是每一个细节都处理好了?有没有可能存在疏漏?这些问题就没办法通过理论上的计算来解决了,气氛瞬间又“玄学”起来。

于是和提升飞行性能一样,提升隐身性能也得靠大量实验,不过这个活就不归风洞管了,它用到的是一个叫“巨型微波暗室”的设施。

这是一个大型密室,工程师要把做好的飞机实体(不能用模型替代)放进去,然后打开雷达从各个角度对其进行照射,看看哪个部位的雷达反射波还达不到要求,然后就对这个部位进行针对性的修改,修改后再放进来照射,循环往复。

经过无数次的雷达照射和修改,最终的外形设计就取里面反射信号最小的最优解。

听起来这个“暗室”就是一个足够能放下飞机的大房间而已,但真正看到实景时我们会感觉非常科幻:

这墙上密密麻麻都是些什么玩意?

微波暗室在实验时,要根据反射的雷达波来判断外形的隐身效果。但在检测反射波的时候,要防止这些反射出来的雷达波打到房间墙壁上形成再次反射,所以这个房间的墙面上都布满了密密麻麻的吸波尖椎,这个东西能够防止雷达再次反射干扰测试结果。

那么这种能放下整架飞机的“巨型微波暗室”都有哪些国家有呢?这就只有中美了,连传统军事大佬俄罗斯都舍不得,因为实在太贵。

这样的结果就是俄罗斯的五代机苏-57没有条件进行足够的微波暗室实验,于是其外形上就有大量的细节问题无法处理,最终该飞机的雷达反射面积比四代机好得都有限,跟中美的五代机比起来更是差着3-4个数量级。

在空战中,反射面积如果差4个数量级,被发现的距离就会相差10倍(同等雷达水平下)。

老鹰捉小鸡了属于是。

不过五代机这种对外形极端苛刻的要求又带来了一个新问题:

飞机没法开。

03“玄学”三:找不到的BUG

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不过打仗嘛,外形怪不怪无所谓,性能达标就行。看着五代机这种怪胎式的外形,工程师感觉非常满意,但飞行员却十分懵圈。

怪异的外形虽然在理论上带来了强大的性能,但操作方式也变得非常复杂。看到这里你可能会觉得只要加强训练就可以了,再逆天的操作也是能“熟能生巧”的嘛。

然而现实并没有这么简单。

越追求机动性能的飞机,其需要操控的舵面就越多。普通飞机的舵面一般是4个,飞行员通过操控这几个舵面就能在一个三维空间里做出各种基本的飞行动作。

而追

而追求极致机动性的五代战斗机拥有10个左右的舵面,不同的排列组合可以实现成百上千种姿态。

对于4个舵面的飞机来说,飞行员手脚并用也还勉强可以应付得过来,这一下10个舵面,你就是放只章鱼过来也搞不定啊。

然而这还不是最大的挑战。

从四代机开始,先进战机就开始采用机动性能更强的“静不稳定”设计,也就是气动中心在重心前面的设计。

啥意思呢?

这就好比一根箭,传统的“静稳定”设计就是箭头在前箭羽在后,而“静不稳定”设计则是箭羽在前箭头在后,这样飞出去一定是晃的,需要飞行员无时无刻地调整飞行姿态去维持飞机的平衡,感觉类似于“拿大顶”。

一旦停止微调就失去平衡的“静不稳定”状态:

说白了,要把现代战斗机开起来,是需要微操的,那么五代机的微操需要“微”到什么程度呢?

每秒对多个舵面进行N次高频率调整。

这已经不是孰能不能生巧的问题了,根本就超越人类反应极限了。

(歼-20多舵面偏转自检)

不过办法还是有的,可以把这类微操交给电脑去做,飞行员只需要给出大的操作方向就行。比如说飞行员想往上飞,就拉一下操纵杆,至于这个过程中怎么保持平衡顺利的飞上去,就交给电脑去控制。

这个方案听起来很完美,不过这又带来了一个新的问题:对电脑的飞行控制程序要求极高,既要能准确领会飞行员的意思,又要能将其精确翻译成对十几个舵面的操作信号,同时还要能自动维持“静不稳定”状态下的飞机的平衡。

实操中飞行员只用动动手指,电脑程序就得马上知道他要干什么,一旦产生“误会”,结果就是机毁人亡。从某种程度上来说,现代先进战机是依靠飞行员的意念在操控。

于是压力就来到了程序员这一边,我们需要万能的程序员帮我们把飞行员的意念准确无误的传递给战斗机。

程序员表示你让我编出一个飞行控制程序没问题,但你要求这个程序能理解飞行员的想法,还能把飞行员的每一次操作都准确翻译成十几个舵面的各自不同角度的排列组合,而且一点“误会”都不能有,你当我是神仙吗?

现实是只要是人编出来的程序,就一定会有bug;而只要有bug,就会坠机,这坠的可是举国之力的研发成果和万中无一的战斗机飞行员。

因飞控程序BUG坠毁的F-22:

没办法,这个程序太复杂了,复杂到超出了人类脑力的极限,压榨再多的秃头也没用。结果飞控软件就和隐身性能、飞行性能一样,都成了“玄学”。

“玄学”怎么办?还是老办法,试!反复试!试他个成千上万次!

这时候就要用到一个叫“铁鸟试验台”的东西。

铁鸟试验台全称“飞控液压系统综合试验台架”,它的作用就是在地面模拟飞机的各种飞行角度参数,以此来调整程序和修改bug。只有经过无数次铁鸟平台的实验,证明飞行控制程序没问题了,才敢让真机上天。

铁鸟试验台也是航空工业的基础设施之一,一般的航空工业强国也能造得出来,但就有时候造起来会比较犹豫。

因为这个设施有一个很大的问题:不通用。

不同飞机用的铁鸟试验台是无法通用的,也就是说建造这玩意没法一劳永逸,你每研发出一款新的飞机,就要针对这款飞机建造一台专门与之匹配的铁鸟试验台,没有任何捷径,更不可能在市面上找到现成的产品。

仅这一步,就阻碍了很多国家持续研究飞机的积极性,因为这意味着成本方面的风险很大。如果研发出来的某款新飞机卖得不好,那么专门为它匹配的铁鸟平台就亏到了姥姥家。

而且飞机的飞控软件越复杂,铁鸟试验台就越复杂,价格自然也水涨船高。所以到了五代机的时候,各路豪强就实在烧不起这个钱了。

而歼-20拥有全球战斗机里最多的舵面和最复杂的气动布局,它相比于传统鸭式布局还多了全动V字垂尾,能同时起到垂直尾翼(同向偏转)和水平尾翼(对向偏转)的效果。

俯仰时,可以接近类似于一个三翼面;

滚转时,能差动加速滚转;

空中还能对偏转当减速板减速

不仅如此,鸭翼后面还加了边条(代价是导致仰角不线性,增加操控难度)。

这个气动布局复杂程度不仅凌驾于所有四代机之上,还超过了美国五代机的代表F-22和F-35(F-22、F-35并没有采用全动垂尾,尾翼主体焊死不能动,只有后半截是舵面能偏转),是人类史上气动布局水平最高的战斗机。

垂尾可以整体摆动的歼-20VS垂尾主体固定的F-22:

所以歼-20配备的铁鸟试验台肯定便宜不了,但中国却没有“回不了本”的担忧,因为中国需要大量的先进战斗机,研发出来后不愁订单不够。

那么歼-20和F-22孰优孰劣呢?

04歼-20VSF-22

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尽管现在在全球出尽风头的美国五代战机是F-35,但该机只是一种压低成本的单发中型战斗机。它并没有全力追求极致的空战性能,而是把更多的注意力放到了多用途上,与歼-20不在一个重量级上。

所以歼-20在这个世界上的真正对手有且只有一个,就是同为双发重型战斗机的F-22。

相比F-22而言,歼-20的一大优势就是出道晚,所以应用到了更先进的电子设备。

比如说全身光学摄像头的EODAS和EOTS系统,全身遍布传感器,等于全身都是眼睛,可以度无死角探测,有极强的态势感知能力。

而F-22因为出道早,没有预留这种全向探头电子设备的安装空间,不过F-22的优势也很明显:它拥有性能强悍的正宗第五代发动机。

发动机是歼-20的短板,目前它使用的“WS10(太行)”发动机相比F22的F发动机要落后一代。

中国自己的第五代大推力发动机“WS15(峨眉)”还在研发中,大家只能等待。不过只要没有停产,歼20在未来就有改进的潜力,换上正宗五代发动机也只是时间问题。

F-22目前在隐身性能和动力硬件上依然对歼-20构成优势,但因为早早被砍掉了生产线,所以其未来的改进和升级空间已经非常有限。比如说它最近就只能眼睁睁的看着歼-20推出了双座版本而“无动于衷”。

根据官方的报道,双座歼-20将能够操控无人机编队协同作战(前座负责驾驶,后座负责遥控无人机机群),这直接就革了空战游戏规则的命。

这些“忠诚僚机”既可以自带导弹增加团队攻击火力,又可以前出侦察增加团队控制范围,紧急时候还能冲出去挡枪,大幅提升了战术的灵活性。

美军虽然也有类似的规划,但他们已经很难再升级出一款双座版的F-22,只能靠单个飞行员“一心二用”来凑合一下,这跟双座歼-20比起来就差点意思了。

05结语

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其实进入五代机时代以后,中美之外的国家也不是真的彻底摆烂,他们还是有想法的,比如说印度和土耳其就在使劲憋五代机。

土耳其的“五代机”:

有戏么?

很难,顶多就是手搓一个勉强能飞的样子货出来,大概率会跟韩国那个“准五代机”一样充满各种BUG。

我们常说“没有金刚钻,别揽瓷器活”,很多国家并不缺乏科学家,他们真正缺乏的是大国重器级别的“金刚钻”。

你得攒齐几十个学科的“金刚钻”,进行强有力的组织调配,然后才能召唤出五代机这条神龙。

这是因为从五代机开始,战斗机技术的门槛已经变得非常高,它需要的远不止上文提到的那几个“玄学设施”,以歼-20为例:

为了给歼-20安装现役战斗机中最大口径的有源相控阵雷达,就需要完整的雷达产业链,不仅要有雷达电子工业,还要有高空飞行测试试验台。

为了测试飞机的结构强度是不是刚好合适,还得搞静力试验室。

为了给歼-20安装大推力矢量发动机,就需要航空发动机产业链,包括粉末涡轮盘工艺,超材料,万吨锻压机等等;还需要航空发动机高空试验台来长时间测试。

为了让配套导弹打得更远更准,就需要导弹领域的尖端科技,包括双推力推进发动机,推进药,导引头等等。

其他涉及到的领域还包括隐身涂料学科、复合材料学科、3D打印……

这就是为什么战斗机进入第五代后,大多数国家就再也跟不上了,想跳过第五代直接搞第六代更是痴人说梦。

其他先不说,就风洞这一个门槛就足以把他们卡死。中小国家建不起完善的风洞体系,如果硬要研发高端战斗机,就只能委托大国的风洞来帮自己吹,一般会委托美国。但这样做收费昂贵先不说,美国人会不会帮你试出最优解其实只有天知道。

如果你对吹出来的结果不满意,想对模型进行修改,那就得再给一次吹风的钱,然后把修改好的模型再送过去接着吹,一来一回时间和金钱就烧掉了。此时美国的工程师只会向你投来关爱的目光:直接买我们的F-35不香吗?

而拥有完整风洞体系的大国就不同了,我想什么时候吹就什么时候吹,设计师可以坐在一旁“边吹边改”、无限优化。现在中国不仅可以吹自家的飞机,还可以做个美国战斗机的仿真模型来吹一吹,看看对方是什么水平,搞搞横向对比。

正在吹F-22模型的国内风洞:

其他方面也是一个道理,现代尖端的工业品越来越需要庞大的基础工业体系来支撑。虽然跟被称为“外国”的整个世界比起来,中国的战斗机产业链还有各种短板;但如果单独跟各个国家相比,则没有谁的产业链完整程度能超过中国。

这也正是国产战斗机能够逆袭的奥秘。

现在中国的另一款五代机歼-35也接近服役,中国的空中力量将形成类似美国的重型五代机F-22搭配中型五代机F-35的“高低搭配”的格局

现在回过头看,美国人处心积虑封锁中国军工几十年,最终成功封锁出了一整套跟自己分庭抗礼的独立产业链,也算是“求仁得仁”。

虽然歼-20的横空出世已经足够让人惊喜,但这远非中国战斗机产业发展的终点,因为工业发展有其自身规律:产业链一旦成型,产品就会持续井喷。

这也意味着从此以后,美国对地球天空的垄断地位一去不复返了。



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