鸭式布局飞机的劣势是什么?

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鸭翼布局飞机具有较好的升力特性,并能通过鸭翼在翼上方产生涡流,提高失速攻角。但是鸭翼涡流会与主翼、机身和垂尾流场间的产生交互作用,如果不能处理好,将会对飞行稳定与姿态控制产生不良影响。

由于鸭翼涡流会干扰垂尾附近流场,影响纵向稳定,再加上鸭翼布局飞机的垂尾距离重心重心较近,力臂较短,所以需要较大面积的垂尾才能保证足够的纵向操纵力矩,这将增加结构重量、阻力和雷达反射截面积。有的鸭翼布局战斗机为了提高大迎角时的横向稳定性,还会在机腹加装腹鳍。

如果采用近距耦合鸭翼设计,由于鸭翼距离主翼较近,两者所产生涡流间能产生有利干扰,进一步提高大迎角性能。但同样,近距耦合也使鸭翼距离重心较近,需要较大面积才能产生足够的俯仰控制力矩。这也增加了结构重量。

此外传统上还认为,鸭翼还对降低前半球RCS不利。传统布局战斗机的平尾位于机翼后方,可被设计为在同意平面而受到主翼的遮蔽。而鸭翼位于主翼之前,而且由于鸭翼要产生脱体涡流过机翼上表面,所以两者必须处于不同水平面且鸭翼要高出主翼,因此前半球RCS必然要高于传统布局战斗机。

此外鸭翼在偏转进行姿态控制时,将进一步将增加前半球RCS值。因此鸭翼布局隐身战斗机的设计难度要比传统布局战斗机更大一些,要在隐身性能和机动性能之间取得完美平衡才行。


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鸭式布局有两个缺点。

首先第一个就是对于飞控软件设计的难度远在常规布局之上,气动设计上很复杂,涉及大量流体力学计算与实验,所以鸭式布局对于飞控软件设计,对于电传操控,对于航电等都有极高的要求,当然这对于飞控软件设计等方面比较优厚的国家来说,这个并不算什么难点,毕竟相对于鸭式布局所带来的优点,这点工作并不算什么。

第二个缺点就是一旦定型,在气动上基本上就很难改进。这其实就是美国F35设计阶段的时候,洛克希德马丁公司是曾经想用鸭式布局的,因为F35B在座舱后方配备巨大的升力风扇,如果采用常规构型则将在横截面积曲线上造成明显的 “驼峰”,严重影响跨/超音速性能。而采用鸭式布局,将主翼位置向后移动,则可有效解决这一问题。但是由于还有一个F35C,由于需要有一个较低的失速速度,才能在航母上起降,所以需要加大机翼面积,这是鸭式布局无法做到的 ,需仔细权衡鸭翼与主翼的大小和相对位置,确定之后即难以变动,不然等于重新设计一款战斗机。所以F35最终采用了常规布局,为的就是未来能够方便放大机翼。

实际上这个缺点其实在如今很致命的,比如台风,它的设计就是围绕着空优进行的,所以当冷战结束,欧洲的安全环境大大改变以后,台风想做多用途战机,进行改进的时候,就远不如阵风这个本来就是以多用途而设计的战斗机了。


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(歼20的优势在于远距鸭翼)

鸭式布局最大的劣势是其涡流增升作用与配平优势只能2选1,鱼和熊掌不可得兼。比如想发挥鸭翼配平能力上的优势,只能选择远距鸭翼布局,这样一来就无法让鸭翼产生的涡流对主翼产生作用;而如果想让鸭翼对主翼产生下洗的涡流,那就必须让鸭翼尽量靠近主翼,这样一来鸭翼在作为俯仰控制舵面时离升力中心过近,控制效率上不如常规布局得水平尾翼。

(亚音速时鸭翼产生负升力)

鸭式布局另一大劣势是,亚音速飞行时升阻比不如常规布局飞机。众所周知静不稳定飞机的升力中心位于重心前,这样一来位于前面的鸭翼必须产生负升力来配平控制飞机平衡,而常规布局飞机的水平尾翼则通过产生正升力来配平。这造成同等条件下鸭式布局飞机会损失升力造成亚音速机动性不如常规布局飞机。

(台风战机通过远距耦合鸭翼带来了优秀的超音速性能)

尤其是像歼20这样的远距鸭翼,只有到了超音速后升力中心大幅度后移到重心后面,此时就到了鸭翼大显身手的时候,由于升力中心到了重心后面,此时就需要鸭翼产生正升力来配平,而常规布局飞机的水平尾翼则需要产生负升力来配平,可以说鸭翼在超音速条件下的优势是远远优于常规布局飞机的。

(歼20)

鸭翼在亚音速时由于离升力中心较近,所以配平力臂较短,需要较大角度的偏转才能满足配平需求,进一步增大了飞行阻力,到了超音速情况则截然相反。所以说目前像歼20、台风这种远距鸭翼布局的飞机是牺牲了亚音速机动性能来换取超音速机动性能,歼20飞行员才会说出到了超音速时就是歼20的天下的豪言壮语。


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采用鸭式布局的战机主要侧重点在于大迎角姿态飞行中飞机可利用鸭翼对机翼产生的有利气流干扰,使得飞机获得更大的升力,从而增强大迎角飞行能力,提高飞机的机动性能;通常飞机在大迎角条件下,翼面所产生的升力系数会趋向饱和,所以加载类控制面的低头控制能力也趋向饱和,这是常规布局大迎角控制力的一个天生的无法克服的缺点。而鸭翼才是大迎角下有效的低头控制装置,这种大迎角飞行的非常规气动力控制装置远远优于非鸭翼布局的飞机。目前除了我国的歼-10和歼-20战机,欧洲的几种三代半战斗机也采用鸭式布局。




当然鸭式布局的飞机也有一定缺点,其中最突出的缺点就是飞机最大攻角与持续攻角的矛盾性,而常规布局飞机的双激涡流可平衡这项缺陷。并且鸭翼偏转时产生强度较大的镜面反射回波,对飞机头向RCS影响甚至比常规布局飞机大。鸭式布局之所以复杂,就因为其并非一个单一气动现象的载体,前翼既产生近距耦合现象影响机翼的升力,又自身形成升力影响飞机的总升力和控制力距,还在超过一定迎角之后产生涡流,形成涡升力,所以鸭式布局主要控制手段还是和无尾三角翼一样依靠后襟翼。




当然一款飞机的性能并不是只是从它的布局上就能概括一切,虽然一些研究证明采用正常布局的飞机在增升方面也取得了不错的效果,但采用鸭翼布局的战斗机在升力体布局方面同样也有巨大优势,而采用升力体边条翼鸭式布局的飞机,其升力特性不仅来自鸭翼、前边条和机翼脱体涡之间的纵向耦合,而且与左右脱体涡的有利干扰有关,而正是后者在机身上诱导出相当可观的升力,此外采用升力体边条翼鸭式布局布局,还可以选择更小的展弦比,这可以减少过于依赖发动机性能方面的要求。



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所谓的鸭式布局,也就是在飞机的前端装两片鸭翼,这一对鸭翼会在飞机的行进过程中产生紊流,紊流会影响后面飞机机翼的上下的气压差增加飞机的升力。

同时鸭翼,也可以控制飞机的整体飞行姿态,在没有这样布局的无尾三角翼飞机里面,为了增加控制力,只能够增大尾翼的面积或者是机翼下方的机襟的面积,加大了飞机雷达辐射的面积。

但是问题是,这么有优势的鸭式布局,为什么美国人一直坚称自己打死都不在隐形飞机上使用呢?

首先我们得说呀,是布局整体的布局,一旦定型,以后是很难改变的,为什么?因为我们说过,整个飞机后方机翼的升力也有一部分是通过前方的鸭翼产生的紊流,所以鸭翼的大小也决定了后面主翼的大小,这样的话,整个飞机整体的形状就定型了,它的改装空间也会变得极其的小,这对于一直坚持对于飞机进行改进的美国人而言,他们是不希望一个没有改装空间的空战平台在他们自己手里上使用几十年。

此外,鸭翼它产生的紊流会影响后方尾翼对于飞机飞行姿态的控制,因此尾翼又会对于飞机操控出现问题。

同时鸭翼在控制飞行姿态的时候会产生巨大的雷达反射面积,这对于飞机的隐形能力是一种挑战。


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正常布局的飞机,飞机质量重心在气动中心前面。这样是一个静稳定系统。改变飞机姿态的气动操纵面在飞机尾部,距离气动中心很远,操纵力矩才足够大。同时,飞机机翼对重心有一个向上力矩,让飞机有低头趋势,用较小的平尾配平较大的机翼,平衡低头力矩。特别是在飞机起飞着陆的时候,为了保持飞机抬头,平尾产生的是向下的力,减小了飞机的总升力。

鸭式布局解决了平尾的副升力,变成正升力。由于鸭翼在气动中心和飞机重心前面,形成一个正反馈系统。如果单纯依靠人工操纵,很容易形成飞机加速抬头或低头,导致失控。在低速飞行时人力操作基本可以保持稳定,高速飞行就很困难了。

电传操纵出现后,计算机控制飞机姿态,才使得鸭式布局可以在战斗机上实现。控制软件编写难度和正常布局飞机差不多。差别是对鸭式布局姿态运动方程如何确定的。

鸭式布局的劣势肯定是对隐身性能有影响。其次是气动耦合距离如何确定。而这是和飞机性能密切相关的。一旦确定就无法更改。

不过随着人工智能的发展,将来也许会出现自动调整飞控系统参数的智能电传操纵系统。飞行员(或计算机)可以前后调节鸭翼与主翼的距离,适应不同的飞行状态。

自然界中的鸟类没有进化出鸭式布局的飞行方式。人类可以做到。


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世界上有鸭翼的飞机是欧洲的两风,中国的歼10系列,歼20。

台风

歼20


鸭翼主要有两个作用,气动配平和增加飞机的机动性,但是鸭翼也有不少缺点。

像美帝的飞机大多是常规布局,而没有鸭式布局,F15,F16,F14,F18,等。至于他们为什么不用鸭式布局而用常规布局,不是因为美国设计师的保守设计,像F14的可变后掠翼,F22的气动设计都是比较先进的。最大的原因,就是这些飞机出现的时代,计算机不算发达,而鸭式布局最大的缺点就是操纵困难,所以这极大的限制了美帝鸭式的应用。

而到了现在,电传飞控的出现,极好的解决了这个问题。

鸭翼处于主翼的前方,在大迎角下容易失速,影响操纵和配平问题,为此鸭翼一般采取大展弦比,后掠翼的小翼面形状,虽然缓和了失速,但是这又极大的影响了飞机的升力效率。

横向操纵性能差。平尾布局的飞机采用差动平尾和副翼的控制有较好的滚转率,而鸭翼由于是小翼面,差动时升力效率不够好,而飞机后缘的副翼襟翼还要起充当配平的尾翼,或者起飞时的增升装置,这些都限制了飞机副翼襟翼的横向操纵性能,导致了飞机整体的横向操纵性不够好。

还有与平尾飞机相比,鸭翼布局的飞机,不能采用太大的亚音速静不稳定度,以免影响其优势的发挥。


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军武直达为你解答!首先要知道鸭翼布局是什么意思,其是在驾驶舱后面有一对小的三角翼。 优点:主要是为了特高战斗机的升力与增加机动性能力,也就是说在相同的跑道距离上,鸭翼布局比常规布局滑跑距离更少;调整气流,提高机动性。如中国歼20


但鸭翼布局缺点:雷达波反射面积大;对导弹的空气动力方面有些影响。因为鸭翼布局虽然可以快速对机头调整方向但是由于其迎角不断变化对隐身能力的破坏就大。

常规布局:除了主翼和尾翼之外没有任何辅助机翼的布局。 优点:相对鸭翼来讲雷达反射面积较小;重量轻些。隐身性能加强。空空导弹可以更好的识别目标。如美国f22


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鸭式布局有很多优点,在很大程度上避免了常规布局的缺点,因此在新一代战斗机中得到了广泛的应用。

但鸭式布局也有自身的缺点,需要采用其他的措施进行弥补和改善。

鸭翼由于处在飞机主翼前方,因此鸭翼气流对主翼会产生影响。而这个影响是很复杂的,既有有利影响,又有不利影响。由于气流的复杂性,提高了飞机设计的难度。

鸭式布局发展到如今,主流的设计一般都是全动鸭翼配合小展弦比大后掠主翼或是中等展弦比机翼,鸭翼与主翼近距耦合。这个布局的主要缺点在于:

一,当不放宽静稳定时,不能发挥出鸭式布局的优势。而放宽静稳定时,其气流变化过于复杂,电传操纵系统的编写也随之变得复杂化。

二,鸭翼和平尾不同,有偏转角时,产生的是正升力。由此带来的是俯仰力矩不平均。抬头力矩大,战机抬头速度快,而低头力矩小,大迎角时低头不容易,鸭翼负担太大。

三,近耦鸭式布局的飞机,由于鸭翼需要处在主翼前上方,使得前方雷达反射截图增大。不过这种缺陷可以通过将鸭翼与主翼设计为同一平面来弥补,不过这样就会损失相当的近耦涡升力,需要同时配合设计有前边条翼的高升力体机身来配合。歼20就是如此。

总的来说,对于航空发动机实力有欠缺的国家而言,采用鸭式布局,减小对发动机的要求,不失为一个另辟蹊径的选择。


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鸭式布局的历史并不短,莱特兄弟的飞行者一号就有鸭翼,二战德国、美国、英国都有鸭式布局的研究,其中德国甚至还制造出来了。

我国的鸭式布局研究起始于70年代西北工业大学进行的“抬式布局”研究,和西工大在歼七E项目合作密切的611所、132厂在歼九方案中也采用了鸭式方案。611所对鸭式布局进行了大量研究,为后来鸭式布局在我国战斗机领域发扬光大奠定了学术基础。

鸭式布局具备某些条件下升阻比高的优点,但是相比最为完善最成功的常规布局相比也有一些缺点,主要有:

一是稳定性差,这一点显而易见。当然现代飞控基本可以补足缺陷,但对于安全性要求逆天的民航客机来讲,用鸭式布局就不合适了。对鸭翼控制比较突出的有阵风、台风、鹰狮、歼十、歼二十等战斗机。

二是配平能力差,常规布局的战斗机可以使用很大偏角的襟翼,大偏角的襟翼带来的巨大的低头力矩对常规布局来说不是问题,但是鸭式布局就很难应对了,所以常见的所有鸭式布局都不可能采取大偏角襟翼,没有例外。这一缺陷带来的是鸭式布局最大升力系数大大小于常规布局,所以相同条件下(同翼载,同推比)鸭式布局的起降性能差于有前后缘襟翼的常规布局飞机。鸭式飞机解决该问题的方法是增大机翼面积降低翼载荷。

咱们讨论的应该是学术问题,是某一种布局的优缺点,某种布局并不代表某种型号,希望有喷的欲望者先冷静一下。


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