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人嘛、往往是一只基于基本信息就可以建立出推理过程的生物,但推理到哪个深度人和人之间是不一样的。很多点进来的粉丝想听“W君为咱们的‘六代机’吹牛逼”那先稳住忍不住点赞的小手,咱们先回顾前几天W君生活中的一件小事。

前几天一个妹子来家里玩,百无聊赖之中妹子和W君两个人坐在沙发上看她旅行的照片。

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她说在旅途上看到了一个漂亮的钟,W君当时却对妹子说这是“一坨嵌金镶钻的屎”。这座钟位于法国巴黎西堤岛上,由查理五世于1370年为西堤宫的东北塔楼定制。它由亨利·德·维克设计,于 1371 年安装。它被认为是巴黎的第一座公共时钟,是法国王权行使其统治职能并从教会中解放出来的象征。从很多人的眼光来看极具艺术美感。说是一坨嵌金镶钻的屎其实是有原因的它唯一能够体现的就是法国的查理五世登基后在小贵族和小业主的帮助下收取民脂民膏一夜暴富的实证而已。就像今天某些暴发户,一朝有钱就把家装成“欧式奢华”,结果搞成了“东北洗浴中心风格”,自以为豪华,其实满墙尽是没底蕴的“金碧辉煌”。

钟的左侧一个露大腿拿权杖的女人代表了王权,钟的右边一个持剑举起天平的男人代表了公平。伸头看钟的人,不是看时间,而是在仰望权杖与宝剑。但问题是——巴黎的七座最漂亮的钟各不相同、推广到法国各地也完全不同。例如1389年建立在诺曼底鲁昂的大钟:

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依旧极尽奢华、依旧金碧辉煌、依旧没有真正的形制——王权到哪里去了?公平又在哪里?对于公共时间的服务提供,法国人甚至已经浪到了完全没有形制。对比法国,我们自己历朝历代实际上也有公共时间服务,这就是钟鼓楼。

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暮鼓晨钟伴随着中国的城市几千年。一座城若有资格称“府”“京”,在最重要的中轴线上就必然有钟楼与鼓楼。它的形制几乎千年不变,但凡形制所需必然五脏俱全,因为它承担的是 “传天时、正人心” 的职分。

法国的钟各不相同,充其量各自是一部部独立的机器,而中国的钟鼓楼相同其实所表述的就是整个国家是中央集权下完美运作的一部机器——这就是形制的力量,和形制相比,法国的钟也就是一坨坨嵌金镶钻的屎了。

在中国文化的方方面面都会有形制的作用,这是几千年积淀下的传统。最直观最能体现形制力量的实际上就是脊兽。

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等级、礼制、权力、责任,都刻在那一排走兽里。一座屋顶要讲礼,一口钟要循律,这就是中国形制文明的可怕之处。

是不是说偏了?继续说回六代机。

W君是工科的,工科中的这类人其实都对“形制”有种骨子里的痴迷。这种形制上的痴迷的集中表现就在于该用什么就要用什么、该有什么就得有什么、不多、不少、不僭越。

这就表明,你不能为了好看,给飞机表面加以浮雕纹理修饰,也不能为了心中的某个哲学思想让飞机少一片机翼。不僭越的不是一个权力架构,而是基本物理学和工程学。

但这次沈飞的歼-50的确是“僭越”了!这在于它的全动翼尖设计,这是一个在任何一本经典的空气动力学著作中都找不到任何依据的“僭越”!详细说说吧:

讲真,如果较真儿的说全动翼尖设计并不是“歼-50”的专利。早在1950年代这个设计就出现在美国。这是一个怪逼公司的设计,W君的老读者现在会会心一笑了,因为都知道W君口中的怪逼公司其实就是“费尔柴尔德”。

创始人费尔柴尔德就是一个在航空界玩票的富二代。费尔柴尔德(Fairchild)这个人的名字其实就在航空圈是这么念的,但是Fairchild这个词在IT圈咱们就不这么念了叫做“仙童”,邪魅一笑懂得都懂了吧?这哥们牛在有一个更牛但短命的老爹——乔治·温思罗普·费尔柴尔德。他爹是连任了6届的纽约州共和党众议员,在美国国会说得上话的那种角色。他爹怎么成了众议员的呢?在此之前他爹创办了一家公司,叫做IBM,懂得都懂。1924 年 12 月 31 日老费尔柴尔德去世,费尔柴尔德就成了IBM这个商业帝国的最大个人股东。那年他28岁。有人脉有钱的官二代+富二代就有了发展自己兴趣的前提。

他的兴趣恰好就在航空和摄影上。于是按照他的想法就可以搞一堆不靠谱的飞机了,例如在二战美军使用的教练机,到了二战末期就搞了一系列的运输机。

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C-119

记住这架飞机的特征,一会还会提到。

二战后又在C-119的基础上搞XC-120,也就是这架:

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驾驶舱下面空无一物对吧?

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人家的想法是搞出一个类似于西科斯基S-60一样的分离货舱运输机

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当然了,这个设计由于有些怪异和超前就停留在了工程阶段上面的飞机造出来了,和货仓的结合机构一直没造成功,于是就成了美军历史上最早的一批PPT飞机之一。

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这张假想图也就永远的停在了假想图的阶段。

傻子的共识也是一种共识,其实让费尔柴尔德更进一步的是一个更加理想化的俄国移民,它在第一次世界大战中作为飞行员亚历山大·德·西韦斯基负伤丢了一条腿后跑到美国建立了一个叫做“共和航空”的飞机制造公司。由于西韦斯基在天上挨过打而且还活下来了,因此共和航空的战斗机都有点自己对空战的独特理解,而且在此之外还有一些俄国人的怪异理解和妥协方案。例如他家生产的P-47闪电式战斗机:

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这是二战期间最重的一架单引擎飞机战斗机,满载起飞重量高达8吨,装有8门2.7 毫米勃朗宁M2机枪,不仅火力猛,而且结实到撞了烟囱还能飞回基地。

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“共和航空”在战后也制造了类似于F-84和F105这类的战斗机。都是有一些俄范的美国战斗机。

当然了,这群俄国疯子在设计战机的时候的偏执性也导致了二战后期经营失败最终和费尔柴尔德合并,用了俄国人的糙和富二代的恶趣味就造了一架叫做A-10的攻击机。

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看那尾巴~~~呃和那炮……皮裤套棉裤,必定有缘故……

唉?说了半天怎么没提“全动翼尖”呢?这还得和共和航空没和费尔柴尔德合并之前把自己搞废了的一个项目XF-103说起。

XF-103被定义为一架飞行速度为马赫4的高速度截击机。为了应对日益紧张的对方轰炸机威胁,美国想搞一架高速截击机。这个项目就被傻憨的共和航空拍着胸脯接下来了。

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按照现代的观点来看这都是一架极其先进的战斗机,其配置和性能逆天,这架飞机不仅仅飞得快而且火力猛,可以携带36枚70mm火箭外带6枚大型空对空导弹。装配了一台Wright W-3涡轮喷气发动机和一台Wright XRJ55-W-1冲压发动机,其最高飞行速度高达5马赫。

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整个飞机没有一个地方不是以高速飞行来进行的设计。但看出问题来了没?这样设计的飞机是没有办法起飞和降落的!

机翼的后掠角过大了,完全无法通过普通机场进行起降,而美国为了防御轰炸机,也不可能去修建大量的能够让XF-103起降的机场。

于是俄国人的心思就起来了。在机翼外1/3边缘的位置将这架飞飞机做成了全动翼尖设计,在起飞的和降落的过程中调节机翼翼尖到一个特定角度,用增大机翼迎角来达到降落起飞速度下的增加升力的目的。

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这就是世界上在歼-50之外唯一的一个“全动翼尖设计”。只不过你仔细看会发现这架飞机的“全动翼尖”是向下旋转的,只起到了在XF-103起降的阶段维持飞机主翼处在大迎角姿态下的稳定性作用。

最终很遗憾的由于XF-103全钛机身的结构稳定性问题以及向下偏转了一点点的翼尖控制问题,这个型号只在1953年3月建造了一架代号为AP-57的全尺寸模型,项目就在1957年8月下旬被取消了。

唯一给航空技术留下的就只剩下一个叫做tiperons(“翼尖舵”或者“翼尖翼”)。

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虽然后期也有一些飞机利用到“翼尖翼”,但止步于一些低速无人驾驶飞机。高速全动翼尖翼则失去了踪影。以至于这个东西成了一个高速航空器形制外被舍弃掉的历史遗迹。

原因则在于Wingtip vortices(翼尖涡流)的存在,严重违背了空气动力学原理。

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原因很简单——当一个后掠翼飞行器在飞行的时候,翼面上的气流不仅仅依靠机翼上下表面进行分离产生升力,而且由于气流的作用,当机翼产生正升力时,下翼面的压强比上翼面高,在上、下翼面压强差的作用下,下翼面的气流就绕过翼尖流向上翼面,这样就使下翼面的流线由机翼的翼根向翼尖倾斜,而上翼面的流线则由翼尖偏向翼根。

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最终会在机翼的翼尖形成乱流。

飞机的控制面总是要选择在平滑的气流中才可以发挥最大效果,当乱流产生的时候,其控制特性也就完全被打乱,因此这是一个相当危险的做法。

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我们如果去仔细观察一架飞机的控制面,例如上图的F-15,你会发现F-15机翼上的副翼控制面被有意的向内侧移动了,远离了翼尖涡流所发生的位置,这样F-15的副翼就可以在一个相对纯净的空气中发挥作用。

为了防止翼尖涡流对飞行器的副作用,很多飞机甚至会采用小翼延长弯曲机翼尖端的气流走向,将至“送出”机翼平面。

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尤其是在要求经济性的客机上例子就比比皆是了。

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所以对翼尖气流的正常法则就是两点——躲开它或送走它,因为在这个部位做控制本身就是一种僭越航空理论的不明智举动。

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而歼-50则采取了一个完全出乎意料的设计。

之所以出现这样的设计,其实这里面有两个航空设计理论中的坑

第一、翼尖涡流,其实“翼尖涡流”这件事不对!虽然这样叫,但这种叫法不准。W君经常告诉大家要“扣”一个术语词汇的本意,但如果术语本身不对呢?“翼尖涡流”这个名称其实就有用词不当的嫌疑了,因为涡流的核心略微位于翼尖内侧,不过后期的研究发现它们也出现在翼尖以外的位置,所以正确的说法中翼尖涡流也被称为拖尾涡流或升力诱导涡流。之所以出现这个错误是当时观察不仔细所致。

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甚至在有的机翼翼型和速度匹配模型中,由升力所引发的涡流式在机翼以外甚至是在远离航空器之外的位置出现的。

但这里回到歼-50的设计,本身是后掠翼,完全符合“翼尖涡流”的产生条件,那么沈飞为什么就敢于僭越去做全动翼尖控制面了呢?

在沈飞的设计中其实还完善了一个美国当年做了,但又舍弃的技术路径——这就是“兰姆达机翼”——机翼为外形类似于希腊字母λ而得名的机翼。

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在世纪战机的年代,美军开发出来了一款叫做F-101“巫毒”的战斗机,恰恰是在使用“兰姆达机翼”。当年这架飞机是第一个水平速度可以飞到1600km/h的量产战斗机,航程大、速度快几乎潜力无限,只不过当时的设计是为轰炸机护航,后期提升了设计之后作为原子弹载机进行战术核打击工作,再后期美国原子弹没怎么用,就用来改装成了侦察机。

这型飞机产自麦道,一共生产了864架,后来没这么大的航程需求,兰姆达机翼也就从美军的科技树里面消失了。

但要知道的是兰姆达机翼恰恰是转移翼尖涡流到其他位置的翼形设计!

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这个特性在瑞典的龙式战斗机的飞行状态下就看得一清二楚了。

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只不过,麦道和共和航空是有着竞争关系和隔离墙的。技术上不共享就导致了麦道即便有了兰姆达机翼、共和航空即便有了全动翼尖它们也很难更近一步的将两种设计合二为一。这也是为什么W君在嘲笑法国的几面形制不同的大钟的原因了——各自为政毫无联络。

而“歼-50”究竟是先计划采用全动翼尖设计进而采用的兰姆达机翼,还是因为采用了兰姆达机翼后顺便完善了全动翼尖其实是不可考的。这两者本质上是有相互依托相互递建的关系的。W君更相信是因为后一种说法使得沈飞可以顺便的试验性的将全动翼尖加到兰姆达机翼的设计中,让飞机取得更高的机动性和控制力。如果是一开始就确定了这种 1+1>2 的方案,就只能彻底的拜服歼-50的设计团队了。而这一切也只能等若干年后央视再出一个人物访谈从中探寻了,现在只能说这个设计牛得没边了

第二、控制,本质上来讲航空飞行器的控制是依靠微积分计算来做的。

现代航空工业中飞行器的控制方式从来不是“拉杆—动舵”的木匠逻辑,而是“微分—积分—解方程”的数学逻辑。

为什么这么说,我们来看飞机的控制。早期的螺旋桨战斗机时期无一例外的都是依靠钢丝绳、钢杆进行拉拽舵面进行的控制。

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这类的战斗机往往采用下单翼带有上反角的设计范式。原因在于只要配平的飞机的升力中心和重力中心,飞机往往可以自动改平到平飞状态,其攻角、侧倾角、俯仰角包线都极大。大部分飞行员可以依靠目视和身体感觉来进行飞机驾驶。

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甚至只需要简单的六块仪表就能把飞机开好。

而到了喷气机时代事情就复杂了,初期依靠个人反应配合性能并不高的喷气式战斗机,飞机还是能开起来的。

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这是一架F-104战斗机的座舱,初期的六块表还是基础,但是又增加的大量测量数据。其中很重要的一个就是在速度表右侧又额外的增加了攻角表(ANGLE OF ATTACK)和转弯指示器(TURN & BANK)以及涡轮出口温度(TOT)。

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为什么加这些表到飞行员的视野中心,其实原因很简单——划定一个范围,当飞行过程中攻角过大会失速度、转弯过大飞机会破裂、涡轮出口温度高到一定程度飞机会解体……没有人控制,全靠飞行员用眼睛看!不看仔细了就会……

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当年的F-104作为飞行棺材而存在并不能归咎于简单的设计不行,而是已经达到了人-机配合的临界点。

到了F-104的继任者F-16身上,实际上就已经改为电传操纵(Fly-By-Wire)了。Fly-By-Wire很直接了当的说了,依靠信号电缆来飞。

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电传操作并不是让飞行员省力避免麒麟臂的出现,而是依靠机载计算机的计算过滤掉和修正错误的操作指令。电传操纵是一个核心概念的升级,并不是让飞行员驾驶飞机而是让飞行员提供驾驶飞机的“意图”,通过操纵杆给出一个“想法”,后面的推拉杆子操纵控制面本质上是由计算机根据驾驶员的“意图”重新构建的。

这里就出现了一个新问题,战斗机的飞行控制系统如何实时的判断对飞行员的意图,又如何做出恰如其分的反应。简单的说飞行员在电传操纵系统中,已经不再“直接控制舵面”。当飞行员推动操纵杆时,他表达的不是一个“动作”,而是一个“飞行意图”——例如“我要抬头”“我要翻滚”或“我要保持爬升”。这份意图被飞控系统翻译成数学目标量,比如期望俯仰角速率 、期望滚转速率 或期望路径角 。与此同时,机体上的传感器——包括攻角、加速度计、陀螺仪、皮托管和惯性导航系统——不断测量飞机的实际状态,将速度、攻角、姿态、过载等变量实时输入控制计算机。飞控系统的第一件任务,并不是去“推舵”,而是判断这份意图是否在可控包线内,并将其转化为可数学描述的 “参考状态”(Reference State)。

一旦参考状态建立,飞控系统便通过控制律(Control Laws)对飞机状态与目标状态之间的误差进行实时求导与积分计算,形成控制指令。这一过程本质上是解一个随时间变化的微分方程,即通过姿态误差 ()、角速率误差 () 计算出所需的控制力矩 M,再通过控制分配将其分解给副翼、升降舵、方向舵乃至发动机喷管。一个典型的控制律形式,可写为:

其实简单的推下舵就会牵扯到上百个传感器和十几个动作器的联动。这里就是飞控计算机在高速的解方程的过程。

但如果仅仅是解方程就没那么困难了,而是要进行预测积分。在动作前要预测0点几秒后飞机的状态以及几秒后飞机的状态,高速的根据状态进行下一步的控制面调节。这就需要建立起来一架飞机在飞行过程中的气动模型,并且这个模型可以快速的带入参数输出结果——这叫做预测型控制(MPC)。最终的解答方式就成了这样:

而要让这种控制方程真正可行,前提是拥有庞大而精确的气动数据库。常规布局可以依赖几十年风洞、飞行模拟和数值试验的经验去拟合,但当你把控制面放在翼尖——对不起,全世界都没有可参考的数据模型。所以说,我们的歼-50不是在参考历史,而是在开辟没有历史的领域。它必须从0开始采样涡、积分力矩、观测湍流,重新为飞控系统建模一整套“机翼极限行为”的数据结构。而这套数据,欧洲没有,美国没有,连制造XF-103的共和航空也没有。

所以说,从这个角度上来说歼-50又是一次对传统框架的僭越。它的意义和第一次给飞机加垂尾、第一次给飞机加水平尾翼、第一次给飞机加鸭翼同等重要。这是第一次有人敢于在“气动禁区”植入“控制权”,并且这件事还真的给干成了!

那么,这样做的好处是什么?

首先这是一个高效的代偿方案。六代机的设计思路已中无尾已经成了定局,全动翼尖的控制力臂最大——同样偏转,效果比副翼强数倍。可以有效的代偿去掉垂尾所带来的损失。其次,全动翼尖的翼面和主机翼不在一个平面上,可以随时呈现任意角度,这就代表了能在极高攻角、失速边缘继续提供可控性。

当然了,歼-50的真正玄机,恐怕不止于此。

目前W君手中并没有完整的风洞参数,更无法得知全动翼尖与兰姆达机翼在三维耦合状态下的完整数据包。

从已公开的照片与气动迹象来看,这套组合绝不只是“叠加两个设计”,它很可能在某一临界状态下,还隐藏着一个主动诱导或主动破涡的控制模式——这部分乾坤,恐怕只有在未来的某一时刻才能再次点燃国人的热情。

“僭越”这个词,许多人听着不舒服,仿佛带着不合礼矩的冒犯。可W君是在一位国外航空博主的视频里,第一次听见这个评价。

他在不解为什么歼-50要采用全动翼尖时,一遍遍地说:

“It transgresses.”

他不是说“奇怪”“危险”,而是在说:“它越界了——它在挑战既定的空气动力学秩序。”

在英语里,transgress 是一种“自下而上的冒犯”;

放在中文文化里,它正对应一个词——僭越。

那么问题来了:

我们,作为后来者,对旧体系发起挑战,难道不可以吗?

美国也曾经历过自己的僭越时代。世纪战机计划中,各种奇思妙想层出不穷:

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它们也成了后来各自美制先进战机的技术种子,这些先进战机一度成为我们羡慕和模仿的对象。

只不过摸着鹰酱的日子已经一去不复返了,剩下的时间里面恐怕我们就只好自己挑战自己了。

建立正确的认知:

所以,当有人问:“歼-50到底厉害在哪里?”答案不是“全动翼尖”四个字,而是我们终于具备了不按标准答案造飞机的勇气。

过去的我们,担心越界;今天的我们,开始定义边界。这才是“沈飞六代机”的意义,不在机库,不在航展,而在认知的天花板被打穿的那一刻。

真正值得警惕的,不是某架飞机做了怎样的造型,而是我们自己看待它的视角是否还停留在“像不像”“学了谁”。一旦陷入这种语言陷阱,我们就又回到了欣赏法国大钟的审美,那种在表面金饰中寻找意义、在异国风格中寻找优雅的弱者心态。

要知道歼-50不是“更好看的四代机”,也不是“模仿某机失败的五代机”。它是一架技术探索机型,它不是来证明什么已经对的,而是来验证什么可能错的。它向全世界提出一个问题:如果控制面可以放在被禁止的位置,那空气动力学是否真的已经定论?如果传统控制律无法应对,那飞控数学是否该进入下一层次?