从官方最新权威资料看歼-20为什么比F-22牛?光座舱就减重200千克

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2021年01月28日 16:38:18
来源:申博会员网址兵工科技

歼-20是中国自主研发的重型双发第五代多用途隐身战斗机,由于它研制时间比世界上第一种五代机F-22晚得多,采用了许多新技术、新方案,被认为具有很强的后发优势,在技术上有自己的特点。歼-20相比F-22的后发优势究竟体现在哪儿?2021年1月11日,就在歼-20首飞十周年纪念日当天,航空工业成都飞机设计研究所作为歼-20的设计单位(主机所),连续发布了多条官方推文纪念歼-20首飞十周年,其中透露出了不少“重量级”的干货,可以帮助我们回答“歼-20相比F-22牛在哪儿”这个问题。

歼-20全三维数字化设计和制造,比F-22更强更快!

飞机的数字化设计,始于上世纪70、80年代的欧洲和美国,在第四代战斗机譬如“狂风”和第五代战斗机上,得到最初的应用。

传统的飞机设计制造过程是:设计文件、二维图纸-模线样板-标准样件-各类成型模具、装配夹具,最后制造出飞机产品。这种传统的工作方式是把飞机的设计数据和信息,通过数十万件的标准工艺装备和生产工艺装备最终以模拟量的形式传递到飞机产品上。这就造成飞机工艺装备数量极大,设计、生产准备周期和制造周期长,互换协调困难,质量难以保证,生产成本高等一系列难题。为了解决这一难题,在计算机出现后,发明了计算机辅助设计和数控加工技术,即我们熟知的CAD/CAM技术。随着计算机和数字化技术的不断发展,硬件平台能力越来越强,还出现了工业互联网技术。飞机设计和制造业界开始通过在计算机上完全虚拟设计出飞机的三维图纸,而后进行数字化出图、数字化零部件生产和数字化装配,从而根本上实现飞机设计制造的“革命性飞跃”。这一时期,涌现出了CATIA等重要的飞机设计软件。

歼-20总设计师杨伟院士与成飞所的技术人员们在歼-20飞机设计现场技术攻关,解决问题

然而飞机设计和制造数字化技术的发展也不是一蹴而就的,分为四个发展阶段。早期的计算机辅助设计飞机,虽然已经不再需要手工绘制图纸,但还是要在计算机上进行二维的数字图形绘制,程序编写和数据交换,到了第二阶段才实现了复杂部件的三维建模和数字化局部优化设计/加工。F-22的出现,恰恰处于飞机数字化设计的早期阶段,其设计限于当时技术的局限,显然距离真正意义的全数字化设计和制造相差甚远。

而在歼-20的设计上,航空工业集团公司经过多年的技术探索,从“飞豹”战机最早引入计算机数字化设计开始,已经实现了从第一个发展阶段到第三个发展阶段的跨越——即实现了完全的三维数字化样机的设计,能够实施并行工程。

根据成飞所的公开报道:“歼-20研制初期,为了提高研制质量、缩短研制周期、提升项目管理水平,总师系统决定在新机研制中,采用全三维数字化设计/制造/管理技术。全数字化三维发图模式相比二维发图来说,设计平台截然不同,存在很多预想不到的困难。除了设计建模规范和指南、系统平台开发定制、专业工具集成等前期研究及准备工作需要经历实战检验及优化之外,多专业协同设计及设计制造并行协同也带来了工作模式的碰撞与磨合。但是,三维发图模式的继承性强,技术状态清晰,设计制造协同顺畅,一旦走通,可以为整个研制节省大量时间。”“在强大的精神合力下,短短数月,完成歼20验证机全部机体结构全数字化数模设计,并正式发图。”

“为了加快(歼-20)试制进度,工艺设计与产品设计并行展开(这就是所谓的并行工程),数模发出后仅7天研制团队开始了第一个零件制造,随后验证机机体结构全面转入试制阶段。但大比例的新型材料、大尺寸的结构零件、隐身特性的加工要求给歼20飞机的研制带来了一个又一个挑战。针对歼-20验证机全数字化设计的特点,航空人不断创新进取、历练本领,研制全线先后突破了一系列关键技术。关键零件试制一次成功,大部件对合一次成功,发动机启封开车一次成功。”

计算机数字化设计现场,是没有硝烟的“战场”,计算机就是歼-20设计人员们的“武器”

很显然,数字化设计使得歼-20的设计制造时间大大缩短,根据资料显示,洛马公司的YF-22技术验证机在对比试飞中获胜后,于1991年正式拿到了F-22原型机的制造合同,而第一架F-22原型机首飞是在1997年,也就是说,从原型机开始设计制造到首飞,洛马公司花费了整整六年时间。而根据成飞所公开消息,从09年歼-20验证机项目紧张设计到2011年首飞,歼-20花费的时间可能仅有F-22的一半。这就是数字化设计和制造技术的威力!

展望未来,中国还将继续向飞机数字化设计制造的更高阶段——全虚拟化设计和集成制造技术——进军。

优化设计,减重明显,空重比F-22轻四吨!

根据成飞所报道,歼-20在设计中,采用了许多创新和技术迭代方案,从指标体系、内埋武器数量、人机工效、制造装配、试验试飞、保障模式等各个方面,航空人最终拿出了一套科学的、系统的、针对性强的符合现代作战需求的科学方案。先后以自我涅槃的精神完成了“系统革命”,实现了座舱的最佳人机工效,科学减重达200千克。本刊曾经对歼-20的空重进行过推测和报道,指出歼-20空机重量被成功控制在15吨级,这远远小于公开资料显示的美军F-22战斗机19.7吨的空机重量,这使得歼-20拥有惊人的可用载荷,作战潜力大大超过F-22。很显然,光座舱就科学减重200千克,肯定是歼-20之所以实现“超轻”空重的重要一环。加上此前曾浓墨重彩报道过的先进DSI进气道减重,歼-20通过采用一系列先进的设计技术和方案,通过非常细致的优化设计和迭代,终于使得歼-20在结构设计上明显压倒了F-22。

歼-20的座舱和进气道经过精细的设计,减重明显,为歼-20的轻空重、高性能做出了巨大贡献

突破歼-10“亚洲第一框”

成都飞机工业集团公司,在歼-10的制造上,曾经创造了“亚洲第一框”的辉煌纪录。当时,歼10飞机整体框外廓尺寸大、双面加工、结构复杂、精度要求高,被称为“亚洲第一框”。它采用整体制造技术,对锻压等机械加工提出了极高的要求。

在歼-20飞机上,由于其作为重型战斗机,整体框的尺寸比歼-10飞机更大,加工难度要求也更高。成飞将其誉为“飞跃之框”。然而这也一样难不倒成飞所和成飞的工程师们,他们攻克了号称“飞跃之框”的整体框制造,再破当年“亚洲第一框”记录;按照“性能需求、开发研制、评估验证”循环推进思路,让试验、试飞、定型工作在短时间内取得重要成果。

歼-10的“亚洲第一框”生产加工现场

此外值得一提的是,歼-20的“飞跃之框”同样也是实现15吨级空重奇迹的重要一环,过去的飞机框由几十个零件甚至上百个零件装配而成,不但技术复杂,更重要的是整体重量大,而“飞跃之框”整体成型,重量比以前传统结构要轻得多,更轻更坚固。

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