取消機(jī)頭空速管那么難嗎？

2024年11月12日至17日，第十五屆中國(guó)國(guó)際航空航天博覽會(huì)正在廣東珠海如火如荼舉辦。在之前的航展上，我們經(jīng)常可以看到許多戰(zhàn)機(jī)采用了當(dāng)時(shí)先進(jìn)的尖頭設(shè)計(jì)，顯得非常霸氣。機(jī)頭上明顯的是有一根細(xì)長(zhǎng)的刺，給人的感覺(jué)像是獨(dú)角獸的角一樣。為了拿掉戰(zhàn)斗機(jī)頭上的這根針，航空專家就花了很多年的時(shí)間。實(shí)際上，這根“長(zhǎng)刺”其實(shí)就是傳說(shuō)中的空速管?？账俟苣軌驕y(cè)量出戰(zhàn)機(jī)在空中飛行時(shí)的大氣壓強(qiáng)和靜壓，從而得知目前飛機(jī)的飛行速度和升降情況，為飛行員提供參考依據(jù)。如果沒(méi)有空速管的話，飛行員在天空中很容易判斷失誤，誘發(fā)空中事故。

空速管是飛機(jī)重要的大氣數(shù)據(jù)傳感器，其利用皮托管原理來(lái)精 確測(cè)量飛行時(shí)的大氣總壓和靜壓，大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)再通過(guò)伯努利全靜壓方程等計(jì)算式來(lái)?yè)Q算得飛行控制所需的飛行速度、升降速度和大氣壓力等數(shù)據(jù)?？账俟茉谑褂弥幸艿綒饬鞲蓴_，空速管的長(zhǎng)度越大，前端測(cè)壓口與機(jī)體的距離越遠(yuǎn)，所測(cè)量的靜壓就越接近大氣真實(shí)靜壓。因此，為提高測(cè)量精度，準(zhǔn)確測(cè)量總壓、靜壓，空速管軸向應(yīng)盡量與氣流方向平行，空速管的zui佳安裝位置就是在與機(jī)身軸線相同的機(jī)頭前方，大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)的誤差修正精度、換算得的數(shù)據(jù)更容易保證。

其實(shí)機(jī)頭空速管的取消，直接體現(xiàn)的好處就是雷達(dá)罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度的降低。飛行時(shí)空速管受到壓力和彎矩影響時(shí)，剛性管體的應(yīng)力會(huì)傳到復(fù)合材料的天線罩上，對(duì)作為基座的雷達(dá)罩的位置精度和受力不利，特別是在戰(zhàn)斗機(jī)高速機(jī)動(dòng)時(shí)的影響更為明顯，結(jié)構(gòu)上的彈性變形會(huì)影響到空速管的測(cè)量效果。所以，機(jī)頭空速管對(duì)雷達(dá)罩尖 端連接位置的材料強(qiáng)度要求和結(jié)構(gòu)重量都很高較大，不利于根據(jù)雷達(dá)技術(shù)合理化設(shè)計(jì)雷達(dá)罩的結(jié)構(gòu)。機(jī)頭空速管的取消，從而使機(jī)載雷達(dá)罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)擺脫了空速管的桎梏，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工工藝上將更為自由，可完全按照雷達(dá)信號(hào)的有利特點(diǎn)來(lái)確定雷達(dá)罩的層數(shù)、罩體厚度、鋪疊方式和纖維方向，獲得結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與重量和雷達(dá)波透射性能間平衡的有利結(jié)構(gòu)。

再?gòu)娘w行空氣動(dòng)力學(xué)上來(lái)看，飛機(jī)機(jī)頭頂著的這個(gè)大長(zhǎng)桿，在與周圍大氣相互作用形成的激波干擾將影響飛行器的氣動(dòng)性能；特別是在大迎角飛行狀態(tài)時(shí)，其是引起頭部渦流及側(cè)向不穩(wěn)定的因素之一，導(dǎo)致操控品質(zhì)的下降；還有就是作為突出于飛行器正向表面的部件也影響到了飛行器的隱身性能。所以從70年代開(kāi)始，國(guó)外的戰(zhàn)斗機(jī)轉(zhuǎn)而采用機(jī)身空速管設(shè)計(jì)。雖然在數(shù)據(jù)采集的精度上，機(jī)身空速管要差于很佳位置上的機(jī)頭空速管，但通過(guò)對(duì)稱設(shè)置多個(gè)L型空速管，利用大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理和修正程序的誤差補(bǔ)償，也可保證測(cè)量的精度。機(jī)身空速管的更為輕便，安裝位置更為靈活，但前提是通過(guò)風(fēng)洞測(cè)試和試飛所取得的充足大量的氣動(dòng)數(shù)據(jù)，測(cè)量出數(shù)據(jù)誤差與速度、攻角、側(cè)滑角的關(guān)系曲線，才能通過(guò)大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)的修正程序，對(duì)空速管測(cè)量的靜壓數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償和修正。所以我們看到國(guó)內(nèi)外的諸多機(jī)型，在原型機(jī)試飛階段、氣動(dòng)數(shù)據(jù)積累的早期階段還是都要在“頭頂”安裝測(cè)量精度高的機(jī)頭空速管，只是在大量的試飛測(cè)試中獲得了足夠充足準(zhǔn)確的氣動(dòng)數(shù)據(jù)和可靠的修正系數(shù)，數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)的修正程序可以支撐起數(shù)據(jù)的修正補(bǔ)償后，機(jī)頭進(jìn)氣管才會(huì)在量產(chǎn)機(jī)型中取消。轉(zhuǎn)而使用機(jī)頭側(cè)面小巧的機(jī)身進(jìn)氣管或者像F-35采用嵌入式大氣數(shù)據(jù)傳感技術(shù)。

盡管空速管技術(shù)是目前很成熟、應(yīng)用廣泛的大氣數(shù)據(jù)測(cè)量技術(shù)，空速管直到現(xiàn)在仍然是飛機(jī)空速測(cè)量的重要手段。但遠(yuǎn)期來(lái)看隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，新技術(shù)的出現(xiàn)以及新飛行器特殊的飛行要求等綜合因素下，傳統(tǒng)的空速管的新問(wèn)題和無(wú)法滿足新需要開(kāi)始凸顯。特別是，在當(dāng)下幾個(gè)主要軍 事強(qiáng)國(guó)爭(zhēng)相發(fā)展的高超音速飛行器領(lǐng)域，空速管的上述問(wèn)題更為突出。不僅是高超聲速飛行狀態(tài)時(shí)，空速管所產(chǎn)生的激波將干擾飛行器的整體氣動(dòng)特性，不利于對(duì)飛行器的攻角、側(cè)滑角等實(shí)現(xiàn)精 確控制，而且高超音速飛行所產(chǎn)生的氣動(dòng)熱更是很可能將傳統(tǒng)的空速管燒蝕。

蘇-27是機(jī)頭雷達(dá)罩前空速管，只不過(guò)利用安裝位置優(yōu)勢(shì)縮短空速管長(zhǎng)度。在今年亮相的SU-57則是進(jìn)一步取消了機(jī)頭空速管，這一特點(diǎn)也在國(guó)外多型戰(zhàn)斗機(jī)的新升級(jí)改型中出現(xiàn)。取消機(jī)頭空速管后的優(yōu)勢(shì)主要有以下方面：
機(jī)頭空速管設(shè)計(jì)逐漸被取代
取消了安裝在機(jī)頭雷達(dá)罩上的空速管，一定程度上了降低了這一機(jī)載雷達(dá)天線前方不透波結(jié)構(gòu)對(duì)雷達(dá)工作的影響。但實(shí)際上，無(wú)論是從很早的圓錐掃描和單脈沖雷達(dá)，還是現(xiàn)在主力的平板縫隙PD雷達(dá)，再到先進(jìn)的AESA相控陣天線，機(jī)頭空速管所產(chǎn)生的影響和問(wèn)題都是一樣的，也是一直存在的。是的，機(jī)載雷達(dá)的雷達(dá)波掃描到了絕緣的天線罩上的金屬結(jié)構(gòu)時(shí)，金屬反射回的雷達(dá)波會(huì)干擾雷達(dá)的正常工作，所以要采用泡沫結(jié)構(gòu)的金屬吸波材料來(lái)遮擋，吸收消耗照射到金屬部件位置上的雷達(dá)波束，來(lái)削弱雷達(dá)罩內(nèi)的反射信號(hào)。但在雷達(dá)罩上的金屬部件可不只是目前已經(jīng)可以取消的空速管，還有必需的防雷擊分流條。全天候各類復(fù)雜惡劣氣象條件下飛行的戰(zhàn)斗機(jī)，遭遇雷擊時(shí)，其雷達(dá)罩如果沒(méi)有分流條這一放電措施，就很容易破壞雷達(dá)罩結(jié)構(gòu)和內(nèi)部的雷達(dá)系統(tǒng)。所以說(shuō)，取消雷達(dá)罩中心位上的機(jī)頭空速管，對(duì)機(jī)載雷達(dá)的益處可能并不會(huì)是理所當(dāng)然的那么突出。

現(xiàn)在有沒(méi)有尖刺一樣的空速管，現(xiàn)在已經(jīng)成為了戰(zhàn)機(jī)是否強(qiáng)大的一個(gè)標(biāo)志。一般而言，取消尖刺空速管的戰(zhàn)機(jī)都比較先進(jìn)，因?yàn)椴渴鹪跈C(jī)頭上的空速管會(huì)影響機(jī)載雷達(dá)的探測(cè)效果?，F(xiàn)如今世界上主流的戰(zhàn)斗機(jī)都采用了有源相控陣?yán)走_(dá)，再搭配這樣的空速管就不合適了?，F(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)的空速管已經(jīng)變成了微小的L型空速管，位于機(jī)頭的側(cè)下方，不仔細(xì)觀察的話根本看不到。以美國(guó)戰(zhàn)斗機(jī)為例，現(xiàn)在的美國(guó)絕大部分戰(zhàn)斗機(jī)都已經(jīng)取消了機(jī)頭空速管的設(shè)計(jì)，比如F-15C戰(zhàn)機(jī)、F/A-18戰(zhàn)機(jī)，F(xiàn)-35戰(zhàn)機(jī)和F-22戰(zhàn)機(jī)，它們都是沒(méi)有機(jī)頭空速管的，側(cè)面反映出了美國(guó)戰(zhàn)斗機(jī)的強(qiáng)大。對(duì)于俄羅斯戰(zhàn)斗機(jī)來(lái)說(shuō)，空速管一直是標(biāo)準(zhǔn)配置，一直到蘇-35戰(zhàn)斗機(jī)才取消。但是就算這樣，蘇-35使用的雷達(dá)依然是無(wú)源相控陣?yán)走_(dá)，但是其優(yōu)點(diǎn)就是雷達(dá)體積很大，所以在功能上和美國(guó)戰(zhàn)機(jī)差不多。取消空速管也是為了讓機(jī)載雷達(dá)更好地進(jìn)行探測(cè)。再看歐洲，歐洲目前有兩款主要的戰(zhàn)斗機(jī)，一個(gè)是歐洲四國(guó)的“臺(tái)風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)，一個(gè)是法國(guó)的“陣風(fēng)”戰(zhàn)機(jī)。這兩款戰(zhàn)機(jī)在一開(kāi)始設(shè)計(jì)的時(shí)候就取消了機(jī)頭空速管，目前可以說(shuō)是歐洲戰(zhàn)斗機(jī)中很強(qiáng)大的。

 其實(shí)機(jī)頭空速管的取消，直接體現(xiàn)的好處就是雷達(dá)罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度的降低。飛行時(shí)空速管受到壓力和彎矩影響時(shí)，剛性管體的應(yīng)力會(huì)傳到復(fù)合材料的天線罩上，對(duì)作為基座的雷達(dá)罩的位置精度和受力不利，特別是在戰(zhàn)斗機(jī)高速機(jī)動(dòng)時(shí)的影響更為明顯，結(jié)構(gòu)上的彈性變形會(huì)影響到空速管的測(cè)量效果。所以，機(jī)頭空速管對(duì)雷達(dá)罩尖 端連接位置的材料強(qiáng)度要求和結(jié)構(gòu)重量都很高較大，不利于根據(jù)雷達(dá)技術(shù)合理化設(shè)計(jì)雷達(dá)罩的結(jié)構(gòu)。機(jī)頭空速管的取消，從而使機(jī)載雷達(dá)罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)擺脫了空速管的桎梏，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工工藝上將更為自由，可完全按照雷達(dá)信號(hào)的有利特點(diǎn)來(lái)確定雷達(dá)罩的層數(shù)、罩體厚度、鋪疊方式和纖維方向，獲得結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與重量和雷達(dá)波透射性能間平衡的有利結(jié)構(gòu)。