这篇开始将涉及很多飞行器设计原理方面的常识，略长，慎入！再次声明，我没有任何理科背景，平面设计师一名，纯粹是出于三十多年来对飞机和军事的热爱写的这篇文章，错漏在所难免，对专业人士来说可能比较幼稚，请轻喷。
歼-20史无前例地采用了升力体+DSI进气道+全动鸭翼+大边条+无尾三角翼+全动垂尾的极端复杂设计，整体造型就像一把尖锐的飞镖，划破长空。我们一项项来分析一下歼-20的气动布局特点。
-升力体-
升力体是一种非常规的气动布局，没有普通的机翼，而是采用翼身融合体来产生升力，以便在低速下获得较高的升阻比。升力体的概念最初是NASA在研究弹道导弹再入技术时偶然发现的，之后应用于返回式航天器的设计。乍一看，纯正的升力体就像是块石头，但这块石头自己能产生升力，会飞。
▌X-24A验证机，最纯粹的升力体设计，没有主翼
传统的飞机设计，机身用于搭载载荷，机翼用于产生升力，它们是两个独立的部件。就好比小孩做的飞机模型，在。一根棍子上面绑一把尺子。
▌红色经典：米格-15，圆筒状的机身加中单翼
三代机在设计时引入了翼身融合的概念，机身与机翼间通过曲线平滑过渡，既减小了气动阻力，也增加了机身容积。F-14和苏-27都是典型的一体化升力机体设计，后机身作为机翼的一部分，宽大扁平，纵剖面呈机翼状，可以产生部分升力。发动机采用翼下短舱的形式，大间隔布置，双发之间形成的隧道可以约束气流，增加下表面的压强，提高升力。F-14当机翼后掠角为20°时，机身升力占总升力40%；当机翼后掠角为68°时，机身升力占总升力的60%，效率惊人。但是三代机并不是真正的升力体，只是在后机身采用了部分升力体设计，因为时代原因完全没有考虑隐身性和超音速机动性。
▌三代机的开山之作：F-14，这张照片很好地呈现了后机身扁平的升力体结构和两个发动机短舱间的隧道
四代机为了实现隐身性、超音速巡航和超机动性的统一，大都采用了超音速升力体设计。整个机身从菱形机头开始，上下表面都采用光滑的大曲度连续面，机身机翼一体化设计。菱形机头外倾的下侧面可以产生升力，并对流向进气道的气流进行预压。机身纵剖面近似于翼型，构型非常干净，既有利于雷达波的绕射，也使整个机身成为一个理想的升力体，产生额外升力。
得益于尾部扁平的二元矢量喷管，F-22升力体设计最为完美。
▌F-22侧视图，柳叶型的机身
歼-20其次，美中不足是尾部发动机因为采用了传统三元喷口，无法收窄，会导致诱导阻力偏大。
▌歼-20干净利落的升力体机身构型
T-50则继承了苏-27的气动布局，设计最为保守，隆起的前机身和吊挂的发动机短舱都破坏了机体表面的连续性，远远落后于潮流。
▌T-50侧视图，前机身就像是插在后机身之上，上下表面都不是连续的曲面，对产生升力和隐身都有负面影响
从这个角度看，如今依靠深厚的空气动力学理论，超级计算机和大规模超音速风洞系统，能设计出超音速升力体战斗机的国家仅有中美两家。
小结：先进的升力体翼身融合设计，为歼-20提供了良好的隐身性能和优秀的超音速升阻比。
-无框整体式座舱盖-
歼-20是美国之外第一架采用无框整体座舱盖的飞机，无框座舱盖取消了前部隔框，整个座舱盖就像一滴水珠，呈现近乎度的无障碍视野，对空中事态感知能力和近距离格斗是非常有利的。但是无框座舱盖的制作难度也是非常高的，在此之前，全世界投产的战斗机里只有F-16和F-22采用。
▌F-22座舱盖
▌F-16座舱盖（准无框，后边有加强框，但不影响视野）
现代战斗机座舱盖不是普通防弹玻璃那么简单，它必须同时满足透光率高（先进的达到90%）、（曲面带来的）光学畸变小、防撞性强（四磅级别的鸟撞不被穿透）、强度高（机身整体的一部分）、重量轻、耐温性好（2马赫飞行时，座舱盖外部温度可以达到°；高空低温环境又得有电加热除雾除冰功能）等诸多近乎对立的苛刻条件。对于四代机来说还要加上一条隐身性能。
以F-22为例，它的座舱盖采用了两种高分子聚合物：环境适应性更好的丙烯酸酯作为内外两层，抗候性差的聚碳酸酯作为中间夹层，使两种不同材料的优势互补。传统的多层有机玻璃结构采用压力成型法，一层一层压在一起，全套工艺耗时长达六周。F-22的座舱盖由英国GKN航宇公司生产，采用了新型的注射成型法，只需一小时。单一种类有机材料注射成型是很普通的工艺，而两种不同材料注射成型，还能层次清晰、质量均匀而且强度足够，这个难度是极大的，F-22一个座舱盖造价高达28.6万美元。
歼-20的头两架验证机采用了F-22同样的全无框整体座舱盖，一出场就引来了满堂彩，被认为达到了世界先进水平。而从号原型机开始，座舱盖前部又多了一个加强框，引来议论纷纷，有唱衰全无框座舱盖质量不过关，不得不补强的；有认为是为了省钱省重量而降低难度的。其实恰恰相反，这个变动正说明我国不但掌握了F-22这样的全无框技术，而且更进一步，和F-35一起达到了座舱盖设计的最高水平。
▌号验证机的全无框整体座舱盖，完全透明，没有任何覆膜
▌号原型机的内框整体座舱盖，带有S型爆炸索，也没有任何覆膜
F-22的座舱盖有一个相当大的缺陷，就是为了满足强度要求，无框设计使它的厚度达到了20毫米，重量达到了磅。因为过于厚重，穿盖困难，只能采用传统的抛盖弹射技术，即弹射前必须先用火箭抛掉座舱盖，然后再弹射座椅。在四代机追求超音速机动的情况下，遇险时弹射救生的时间窗口越来越小，任何延迟都可能导致弹射失败。F-22曾发生坠毁事故，就因为舱盖故障导致飞行员无法成功弹射而丧生。年兰利基地那次著名的锯舱盖事件更是现身说法地展示这一缺陷的严重性。
▌年4月10号，隶属于兰利空军基地的F-22A03-号机在起飞准备时发生软件故障，导致座舱盖无法打开。在联系了制造商洛马和F-22系统软件办公室，进行了各种尝试之后仍然无法开启座舱盖。最终只好由消防队员用电锯简单粗暴地把时值18万美金的座舱盖锯开，救出了被困五小时的飞行员。
要采用整体座舱盖提高视野范围，又要保证弹射成功率，最佳方案就是采用无延时的穿盖弹射方式，在座舱盖顶部安装爆破索，启动弹射的同时引爆小当量装药，破坏座舱盖的完整性，依靠座椅顶部的撞角直接穿盖而出，缩短反应时间，提高救生成功率。当然穿盖弹射本身并不是新技术，英国飞机就偏爱这种方式，已经运用了几十年，但都是有框结构。
美国从F-35开始采用了变厚度的舱盖设计，在一体化舱盖内加了一个加强框，框前风挡区域厚度较大，保证强度和防撞能力；框后区域厚度变薄，利于穿盖弹射。这个加强框位于舱盖内部，外表面还是连续的有机玻璃表面，没有传统隔框在表面的接缝，不影响隐身性。这样的技术既减轻了重量，又降低了制造难度，延长了使用寿命，一举多得。歼-20是世界上第二种采用这一技术的战斗机。
▌号量产型的内框整体座舱盖，爆炸索排列方式有改变，可以明显看到带紫红色光泽的覆膜
小结：歼-20的座舱盖设计非常务实，将超音速弹射救生能力和隐身性完美结合，达到了世界最先进水平。
-DSI进气道-
DSI进气道中文是“无附面层隔道超音速进气道”，为洛马耗费十年时间开发的全新进气道概念，曾在F-16上进行试验，并于年正式运用在X-35验证机上。
▌X-35进气口内侧的DSI鼓包
要说清楚DSI，先得讲讲什么是附面层。当飞机高速飞行时，靠近机体表面的空气与蒙皮发生摩擦，因为空气的粘滞性导致流速降低，而且易产生湍流，流速和方向都变得不稳定。从流速开始下降到机体表面这一段流场发生变化的空气层就叫附面层。
如果这样一层动作缓慢又不怎么守纪律的附面层被吸入进气道，将影响发动机的进气效率，严重的话会导致发动机叶片失速或者喘震，损坏发动机直至熄火。速度越高，附面层的厚度越大，影响越大。因此从第一代喷气式战斗机开始，飞机设计师就在绞尽脑汁消除附面层的影响，只让干净气流平顺地进入进气道。
传统的方法是使用附面层隔板/隔道把附面层和干净气流分离开并释放，再辅以吸气措施，把进气道表面的附面层吸走。在DSI诞生之前，世界上最先进的进气道设计就是F-22的加莱特进气道，学名是双斜切乘波进气道，利用棱形机头产生的激波对进入进气口的气流减速增压，从而取消了F-14、F-15那样复杂的进气调节系统，同时隐身性能更好。
但F-22的固定进气道是针对1.6马赫的巡航速度进行优化设计的，超出这个速度区间时进气效率下降，得配合尺寸巨大的放气门进行调节。同时它还带有相当复杂的附面层隔离和吸排气旁通系统，附面层隔道形成一个很大的空腔，对正面隐身非常不利。附面层吸气口和排气口都需要做隐身处理，既增加了结构重量，减少了机内可用空间，又增加阻力。
▌F-22进气道的附面层控制系统
▌换个角度，F-22背部的众多排气开口
DSI进气道，用一个三维鼓包代替了所有附面层隔离和吸排气系统。鼓包作为一个压缩面，顶部与周边存在压力梯度差，当附面层流经鼓包的时候，鼓包顶部的高压区将附面层推离鼓包，流向鼓包周边的低压区，配合位置精心设计的前掠进气道唇口，将附面层从进气道两侧合适的位置排出。
▌DSI进气道流场示意图，红色的附面层被鼓包推开，从上下唇口两侧溢出。
DSI没有任何活动部件，也没有沉重复杂的隔离/吸排气系统，大大减轻了结构重量和相应的维护量；迎风面积小，阻力小，对进气道遮挡隐身性好；总压恢复系数高，速度适应范围大，进气效率至少不差于加莱特进气道，甚至更好。据洛马研究测算，采用DSI可以减重磅以上，对重量锱铢必较的战斗机来说这是非常可观的减重效果。而且进气道总压恢复系数提高1%,可使发动机推力提高1.3%～1.5%，当可用发动机推力不足的时候，进气道设计上的优化就显得意义重大了。
原理看上去很简单，但DSI的技术难度非常大。这个固定鼓包的大小、形状、位置要考虑到所有速度范围和仰角变化下的进气效率，体现了计算流体力学的最高水平，需要大量的高速风洞试验以及极高的制造精度，金属材料无法达到加工要求，只能使用复合材料制造。西方国家至今也只有F-35一种飞机采用。晚于F-22近20年出世的T-50仍然采用了俄式的加莱特进气道，说明俄罗斯并未掌握这一技术。日本、韩国、瑞典等国正在研发的诸如“心神”这样的准四代机，也根本没有触及DSI技术，气动设计低了不止一个档次。
而中国在追踪、借鉴了洛马的技术概念之后，自行开发，于年在枭龙04号机上首先采用了DSI进气道，从此一发不可收拾，迅速把这一顶尖科技“白菜化”。不但中档的歼-10B、高端的歼-20、歼-31，连从歼-7大改而来最低档的JL9“山鹰”改高教机都采用了DSI。有腹部进气的、有两侧进气的、有隐形的、有简易的，成飞、沈飞、贵飞都在用，说明我们已经透彻地掌握了这门技术，达到炉火纯青的境界。
▌四种国产DSI战斗机进气道细节
歼-20是成飞设计的第三型采用DSI的战斗机，从某种意义上讲成飞的DSI实施经验要超过洛马，世界第一。之前的所有DSI进气道，包括F-35，鼓包都位于进气道的中央，左右形状对称。歼-20的鼓包则是不对称的，位置偏上，而且前端比其它任何DSI鼓包都显得更加尖锐，高速性能更好，当然空气动力学的设计也更加复杂。
▌歼-20首架验证机号进气道细节，从号原型机开始进气道上唇和鼓包又有变化
从枭龙到F-35，DSI进气道给人的感觉就是高速性能不佳。很多国内的分析文章声称歼-20的进气道采用了侧壁可调的设计，或者是上唇可以像F-15那样下垂，以满足不同速度的进气要求。甚至有人猜测鼓包本身是柔性的，可以在空气压力下产生柔性形变。到目前为止网上所有图片都没有近距离拍到过歼-20进气道内部的细节，无法判断是否采用了可调部件。从下图可以看出，歼-20的鼓包和进气道侧壁唇口采用了与机身金属蒙皮不同的复合材料，颜色更淡，近似于雷达罩的颜色。但是从这就判定这两个部件能活动或者变形还是过于武断了。
南航年一篇关于歼-10B原型机进气道的公开论文显示，其固定DSI进气道的总压恢复系数在1.8-2.0马赫时均优于采用传统二元三波系进气道的F-4D，仅略低于采用二元四波系进气道的F-15。如今11年过去了，成飞的DSI技术肯定更上一层楼，有理由相信歼-20的固定DSI进气道足以适应从亚音速到2倍音速的宽广范围。而鼓包和唇口采用复合材料，除了制造工艺要求，更主要的原因是为了隐身，采用了吸波或者透波材料。
下图两个红圈是两个六边形的窗口，表面为蜂窝状的小开口，从位置和尺寸上分析是进气道的进/排气门，用于调节不同速度状态下的进气量。这两个开口和F-22机背上那两个巨大的放气门比起来小巧很多，位置也更靠近进气道，旁通管道占用空间小，进排气效率高。
▌歼-20前机身特写，DSI鼓包为浅颜色，十分明显。
小结：歼-20的DSI进气道在保证进气效率同时，减轻了结构重量，增强了隐身性能，降低了迎风阻力。花了这么多笔墨来说DSI，就是为了说明歼-20的进气道系统是目前世界上已知战斗机中最先进的
未完待续...
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