這篇開始將涉及很多飛行器設計原理方面的常識，略長，慎入！再次聲明，我沒有任何理科背景，平面設計師一名，純粹是出於三十多年來對飛機和軍事的熱愛寫的這篇文章，錯漏在所難免，對專業人士來說可能比較幼稚，請輕噴。
- 全動鴨翼 + 大邊條 -
殲-20開四代機採用鴨翼先河
飛機的主要氣動面就是主翼，平尾/鴨翼和垂尾。主翼產生絕大部分升力，托起飛機在空中飛行。平尾和鴨翼最主要的用途則是控制俯仰和配平。
俯仰好理解，就像是水平放置的舵，偏轉一定角度後施加在舵面上的空氣動力產生抬頭或者低頭力矩，改變飛機的俯仰角。
配平對很多人來說可能比較陌生。任何飛機在飛行時都有重心和氣動中心，當兩者重合時，飛機就處於穩定狀態。如果不考慮燃油消耗和武器投放等因素，飛機的重心基本上是固定的；而氣動中心會根據速度、仰角的變化不斷移動，特別是超音速飛行時，氣動中心大幅度後移，帶來強大的低頭力矩，因此必須依靠平尾或者鴨翼產生一定的力矩來恢復平衡。
常規氣動佈局，主翼在前平尾在後，氣動中心位於重心和尾翼之間。尾翼為了配平低頭力矩，必須產生負升力將機尾下壓以保持平衡，因此總升力減小。
▌常規佈局的殲-7和F-18起飛離地瞬間，尾翼下偏角度很大，以負升力下壓機尾，像槓桿一樣把機頭翹起來
鴨式佈局則是鴨翼在前，主翼在後，重心位於鴨翼和氣動中心之間，飛行時為了配平低頭力矩，鴨翼須產生正升力，總升力得到提升。殲-10在推重比不高的情況下，大仰角起飛僅需250米距離，比推重比達1.1的F-15還短，說明其鴨翼帶來的氣動收益非常顯著。假設相同條件下，採用鴨式佈局，因為升阻比更大，主翼就可以適當縮小尺寸，減輕結構重量，減少空氣阻力；或者主翼設計不變的情況下增加最大起飛重量，縮短起飛距離。
▌鴨式佈局的殲-10起飛離地瞬間，鴨翼和主翼一樣為正仰角，產生升力
鴨翼的另一個作用就是產生渦流。說得通俗點，渦流就好比是人為地在主翼上表面製造持續的小型龍捲風。大仰角時的三角翼前緣會產生強烈旋轉的渦流，在機翼上表面形成一個高速低壓區，產生向上吸的渦升力。仰角越大，渦流的強度越大，但超過一定角度後渦流變得不穩定，開始破裂，導致機翼失速。因此純三角翼飛機的大仰角性能並不好。
瑞典的空氣動力學家在六十年代發現了鴨式佈局近距耦合現象，當前翼與主翼的相對位置合適時，其產生的渦流和主翼渦流相互作用，可以穩定渦流核心，延遲主翼失速，顯著增加飛機的升力係數和升阻比，提高大仰角飛行能力。基於這個理論瑞典研發了以短距起降能力強而著稱的Saab-37雷式戰鬥機。歐洲國家對鴨式佈局情有獨鍾，之後發展的JAS-39鷹獅、陣風、颱風戰鬥機都是鴨式佈局。採用全動鴨翼可以主動調整渦流的角度和強度，實現渦流控制最優化。
▌陣風戰鬥機鴨翼產生的渦流和主三角翼產生的渦流相疊加的作用示意圖
鴨翼在帶來巨大升力收益的同時，設計風險也非常高。常規佈局的飛機，氣流流過平尾之後，對機體就不再有顯著影響。而鴨翼佈局氣流流過鴨翼後將進入到主翼和整個機身的流場中，相互的氣動干擾將導致機翼上方渦流體系劇烈而複雜地變化，造成控制困難。要主動、及時、準確地通過鴨翼進行配平和操縱，必須採用電傳操作，利用計算機輔助控制。因此，鴨式佈局戰鬥機在氣動理論和控制律編寫上的要求遠高於常規佈局。
信奉“鴨翼最好的位置是在別人的飛機上”（F-16總設計師語）的美國，對鴨翼的優缺點研究得非常透徹，既然美國擁有強大到變態的發動機，完全可以用更穩健的常規佈局實現同樣的指標，從費效比和風險控制角度考慮都沒有必要去採用鴨式佈局。而對於歐洲和中國來說，因為缺乏大推力發動機，必須想盡一切辦法提高飛機的升阻比，以實現儘可能高的飛行性能，鴨式佈局就是長期實踐出的最優選擇。
鴨翼同時具有配平和渦流耦合的作用，但這兩點實際上是相互矛盾的，鴨翼距離主翼遠，力臂長，配平能力強，渦流耦合作用就弱，距離近則相反。各國飛機設計師對鴨翼的位置絞盡腦汁，根據飛機的技戰術要求採取了不同的方式。
歐洲四國聯合研製的颱風戰鬥機，兩個最大的客戶英國和德國分別要在北海和波羅的海方向攔截北極熊的入侵，對高速攔截和空戰的能力要求很高，用於替換的是狂風ADV型和F-4。因此它採用了遠距耦合，鴨翼非常靠前，在座艙的前端甚至已經遮擋了部分朝下的視界。這樣的佈局配平能力優秀，能以1.6-1.8馬赫速度進行3-4G機動，超音速機動性在西方戰鬥機中僅次於F-22。但鴨翼距離太遠，耦合效應很弱，為此颱風專門在進氣道上方增加了兩片狹長的渦流發生器，雖然看上去簡陋得像個補丁，但也能部分彌補渦升力的不足。
▌颱風戰鬥機俯視圖，機身兩側的兩道白煙就是渦流發生器產生的升力渦，可以看出強度不大
法國一貫堅持獨立的軍備建設，能得到的盟軍支持沒英國多，因此陣風必須是一款全能型的戰鬥機，強調多用途特別是對地攻擊性能，用於替換“幻影”III、F1戰鬥機、“幻影”IV轟炸機和“美洲虎”攻擊機，更有艦載機的要求。因此它採用了近距耦合，鴨翼緊貼主翼，渦流耦合增生效果非常好，擁有更大的載彈量和更遠的作戰半徑，亞音速低空飛行性能出眾。但是陣風的近距耦合基本上是在迴避配平能力，空氣阻力大，超音速機動性和高速性大為遜色。法國空軍的截擊任務仍然是交給純三角翼的幻影-2000去執行。
▌海軍型的陣風-M側視圖，陣風的鴨翼之下還有一小段從主翼延伸出來的邊條，拉出了邊條渦，進一步增強大仰角能力，以適應法國的小甲板航母
中國的殲十，最初的目標是對抗北方虎視眈眈的逆火轟炸機群和第三代戰鬥機，強調高速截擊和空戰能力。後來蘇聯解體，臺獨猖獗，又多了新的對手：海峽對岸的F-16。因此殲十的設計必須兼顧高空高速性能和中低空格鬥能力。它採用的是中距耦合，鴨翼和主翼保持一定距離，又不像颱風那麼遠，兼顧了配平和渦升力，但同時也對主翼的流場帶來了複雜的影響。
成飛沒有像歐洲雙風那樣刻意迴避鴨翼帶來的氣動缺陷，而是迎難而上，採用了極其複雜的氣動設計：大面積變彎度帶上反的鴨翼，增強配平和俯仰控制能力；主翼具有大幅度的氣動扭轉，內外翼段採用不同翼型、分別扭轉以應對不同狀態下鴨翼渦流的不利影響，獲得最大的升力特性；後機身收腰，應用面積率減少鴨翼增大帶來的阻力。成飛從早年的殲-9開始，專注研究鴨翼已經超過四十年，對鴨式氣動佈局的理解世界上無出其右。殲十用三代機裡最複雜的氣動設計和超強的飛控協調，收穫了所有鴨式的優勢，避免了諸多缺陷，堪稱完美。
▌殲十俯視圖，鴨翼面積是所有三代鴨式佈局飛機中最大的
▌殲十正視圖，鴨翼上反，主翼內外段的扭轉非常明顯
但鴨式佈局有一個天生的缺陷，在大仰角時鴨翼需要下偏，減小仰角以避免飛機產生上仰發散，繼續抬頭直到失速。當鴨翼仰角減小時，鴨翼渦不再掃過機翼，上翼面氣流容易分離造成機翼失速。因此單純的鴨式佈局飛機，大仰角飛行能力並不算很出色，颱風、陣風和殲十的無掛載狀態下的無顧慮操作仰角限制都在28度以下。
而另一種三代機常用的增升裝置：邊條翼，翼面是固定的，無法偏轉，在不同仰角下都可以持續拉出穩定的邊條渦。採用大邊條翼的F-18，空戰掛載下可用仰角達到了50度。另一方面，固定邊條無法控制邊條渦的強度，需要襟副翼等其它氣動面配合，效率低於全動鴨翼。
▌F-18E大仰角飛行時邊條產生的強烈渦流
在講殲-20的鴨翼之前講了這麼多三代機的鴨翼，是因為殲-20基本繼承了殲-10的總體氣動設計，可以看作是殲-10的超級魔改型（張局語錄）。它也採用了大面積中距耦合鴨翼，鴨翼離主翼的距離比殲-10還遠，配平能力很強，超音速機動性突出。
▌殲-20的鴨翼和主翼距離較遠，鴨翼處於座艙後方，不影響飛行員的視界。
常規的鴨翼安裝位置都比主翼高，以便鴨翼的下洗氣流在主翼上處於合適的位置。殲-20為了追求隱身效果，鴨翼和主翼的翼根必須在同一水平面上，以減小雷達反射源。因此採用了鴨翼上反，主翼下反並帶有氣動扭轉的特殊設計，在隱身和氣動效率上取得了很好的平衡。
▌殲-20正視圖，鴨翼上反，主翼下反，外翼段可以看出明顯的扭轉
針對渦升力不足，以及大仰角飛行問題，成飛在鴨翼和主翼之間增加了一個邊條。這個邊條相當大，絕不是陣風上那個小到被大多數人所忽略的小邊條，而成為一個獨立的主渦流發生器。實際上在這個佈局中渦升力主要來自邊條渦和主翼前緣渦，鴨翼渦的主要作用是誘導了前兩者的融合和疊加增強，同時鴨翼自身兼顧了配平和增升的作用。這樣的組合渦系效應，既強於單純的邊條也強於單純的鴨翼，達到了一加一大於二的效果，保障各種姿態下的大仰角飛行能力和強大的渦升力。
▌殲-20仰視圖，鴨翼和主翼間由直線型大邊條過渡
這樣的組合帶來的氣動複雜性也是空前的。殲-20的渦流場由稜形機頭產生的機頭渦、鴨翼渦、邊條渦和主翼渦構成，實際上尖銳前略的進氣唇口也是一個渦流發生器，多達五個渦系相互作用，飛控研製的難度超乎想象。在早期的幾架驗證機上，鴨翼前的進氣唇口處還有一個尺寸很小的邊條，作用一是遮擋鴨翼安裝軸，有利於隱身；二是拉出一個小的渦流，延遲鴨翼本身的失速。後面的大邊條是帶弧度的，類似於F-18E/F和梟龍上的哥特式邊條，渦升力更強。在後續的原型機上取消了這個小邊條，也把尖拱邊條拉直為平直邊條。主要的考慮可能還是簡化流場和控制律的複雜性，氣動上的紅利已經足夠，隱身性能則可以通過複合材料和吸波塗料來解決，或者實測下來差別不大。
▌殲-20 2001號驗證機，鴨翼前方有一小段邊條，鴨翼後的邊條為尖拱形
其實鴨翼、邊條這些都是三代機的技術，成飛在殲十和梟龍上都早已應用，但能綜合應用在四代機上，完美融合到升力體和隱身設計中，說明中國在鴨式佈局上已經遠遠地把歐洲甩在了後面。
▌殲-20生產型在飛行中各渦流發生器拉出的強勁渦流
小結：殲-20的鴨翼加邊條的佈局，充分發揮了配平和渦升力的優點，超音速機動性和大仰角飛行能力都非常突出。
- 全動垂尾 + 腹鰭 -
常規垂尾前部為固定翼面，只有後沿為可動舵面。在大仰角時機身會對氣流造成遮擋，使垂尾的氣動舵面效果下降，造成航向穩定性變差。為此，可用仰角越大，垂尾面積就必須相應增大。F-22的垂尾就異乎尋常的高大，不但結構重量大，阻力大，對側向隱身也非常不利。
▌洛馬工廠內正在安裝F-22巨大的垂尾，靠左的部分為可動舵面
殲-20採用了外傾的全動垂尾，在四代機中還有T-50採用。當然之前的F-117和F-22的競爭對手YF-23也是全動垂尾。全動垂尾的好處是因為整個舵面都可以產生偏航力矩，垂尾的面積可以大大縮小，而且通過舵面差動，可以主動控制航向穩定性。和全動鴨翼一樣，全動垂尾對飛控設計、材料、製造工藝的要求都非常高。
殲-20還裝有一對腹鰭，這也是被軍迷廣為詬病的地方：其它四代機全都沒有腹鰭，這個二、三代機上才有的腹鰭是技術的倒退，會破壞隱身，或者認為是個臨時裝置，試飛完穩定性夠了就會拆除。
▌殲-20的全動垂尾，整個垂尾根部都有開縫，翼面可以繞安裝軸轉動；主翼下方就是腹鰭
其實這個腹鰭可以看作是垂尾在機身下部的延伸，當高速大仰角狀態垂尾受機身遮擋效率下降時，腹鰭將完全處於乾淨的氣流中，維持足夠的航向穩定性。同時腹鰭幾乎完全遮擋住發動機噴口的側面，在發動機隱身設計不足的情況下起到了相當有效的彌補作用。見下圖，粗略測算可以得出殲-20垂尾加腹鰭的總面積僅為F-22的四分之三左右。而且腹鰭是固定的，結構重量上會比可動的垂尾輕巧一些。
▌殲-20與F-22的尾翼面積對比，藍色面積=紅色的腹鰭+黃色的殲-20垂尾凸出部分，淺灰色部分就是F-22垂尾比殲-20多出來的面積（未考慮傾斜度，僅比較側面投影面積。F-22垂尾的傾斜度略大，實際面積更大一些）
小結：全動垂尾加腹鰭的設計不會對隱身性能造成顯著的影響，甚至比F-22單一的高大垂尾更好，而氣動上的敏捷性和控制能力將超過F-22（忽略F-22矢量噴管的情況下）。
- 花絮 -
在地面試車時，殲-20經常將全動鴨翼和全動尾翼偏轉到令人匪夷所思的角度，而且左右不對稱。以致有網友大聲疾呼要求有關單位對鴨翼尾翼進行加固，否則高速飛行時會被氣流吹壞。其實大可不必擔這個心，能造出這樣的氣動面，它的轉軸強度絕對是經過無數計算、強度試驗和風洞試驗的。而且這樣的偏轉角度只是在地面時用於檢查氣動面的操縱狀態，正常飛行時一般不會偏轉這麼大角度。降落後豎起鴨翼，或者垂尾分別向內側偏轉倒是可以當作巨大的減速板。不過殲-20遵循中國軍機的傳統是配有減速傘的，下圖左上照片那個翻起的黃色圓筒就是減速傘倉。
為什麼要設計出這麼大的轉動角度，飛行時是否也能轉這麼多，目前還是個謎，從未在飛行時被拍到過，也沒有人做出過合理的解釋。我的猜測，翼面可以瞬間傾轉到一個大角度，改變了飛行狀態後立即復位，而且可以兩邊差動，甚至鴨翼/垂尾四個氣動面各自差動，這樣帶來的飛行狀態變化真的是超出了人類的想象力。
▌地面試車時殲-20鴨翼、垂尾的各種狀態
殲-20的氣動面數量多達16個，包括鴨翼、邊條、前緣機動襟翼、主翼、後緣襟翼、副翼、全動垂尾、腹鰭，再加上前面提到的至少五種渦流，氣動之複雜世所僅見。要把所有這些元素融合一身，飛行控制律難度極高。早幾年曾有傳聞殲-20的飛控編寫遇到瓶頸，現在已經量產，看來成飛順利解決了所有氣動難題。縱觀目前世界上所有軍機，氣動設計無出其右。
- 超長機身的用意 -
殲-20面世後，有不少人質疑它那21米的超長機身，認為是設計不佳、無法合理控制機體容積造成的，並將它影射為殲-八第二，像人家F-22機長才18.8米嘛。機身超長，結構就一定很重，發動機又不給力，空戰性能肯定不好，甚至有西方較權威的媒體分析殲-20這體型是架戰鬥轟炸機。
▌40年彈指一揮間，中國空軍昔日最先進的戰鬥機，被譽為“空中美男子”的殲-八，同樣擁有超長的機身，但這其中蘊含的科技含量已經是不可同日而語了。
其實通過以上分析，我們可以看出源菱形機頭+DSI進氣道+鴨翼+邊條+大三角翼，這樣最終優化出來的氣動佈局也就基本決定了殲-20超長的機身長度，當然還通盤考慮了其它諸多因素。超長機身至少帶來以下好處：
首先就是超音速巡航性能好，長寬比越大高速性能越好，無論飛機還是軍艦都是如此，五短身材、臃腫不堪的F-35“肥電”就是最好的反例。
其次長機身為鴨翼和垂尾帶來足夠長的力臂，超音速機動性、穩定性和配平能力都特別出色。
長機身還帶來巨大的機內容積，可以從容佈置大型彈艙（殲-20的主彈艙比F-22更長更深，可以掛載更大型的彈藥）、彎曲隱身的進氣道、充足的電子設備空間，最重要的是可以擁有超大的載油量。
一直以來被神話了的F-22其實是架名副其實的短腿戰鬥機，它的原始設計是針對面積狹小的歐洲戰場，對航程要求不高。雖然體型龐大，但為超音速性能加強了結構，導致機體密度過高，機內燃油比例較低。F22無外掛隱身構型的亞音速巡航作戰半徑為1000公里左右，超音速巡航作戰半徑只有720公里，還不及體積相似的F-15，在廣袤的太平洋地區就顯得非常吃力，轉成進行前沿部署必須攜帶外掛副油箱。
▌短期前沿部署到沖繩嘉手納基地的F-22作戰中隊，須攜帶大型外掛副油箱轉場
而得益於超大的載油量和出色的升阻比，殲-20的航程估計超過4000公里，作戰半徑至少1500公里，比F-22超出50%以上。《顧誦芬文集》（殲八總設計師、中國飛機設計泰斗）中“八五”以來航空科技預研意見報告披露，20年前提出的中國四代機主要性能要求是：“在空中不加油的情況下，作戰半徑應完全覆蓋周邊國家的首都，覆蓋日本全境”，這和最終研製出的殲-20作戰半徑是基本一致的。
最近網上登出了殲-20掛載四個大型副油箱試飛的照片（偶然攝於一場農村婚禮的背景中，被網友稱為最牛婚禮助興），如此配置的殲-20不加油航程可以達到六千公里，作戰半徑超過2千公里，直達關島。這是F-22無法企及的，天生腿就沒人家的長。
當然機身不是越長越好，也不是你想拉長就拉得長的，機體結構強度和重量問題會隨之急劇惡化。蘇-27雖然在航展上風光無限，但從設計之初就深受結構強度不足的困擾，不斷改進不斷補強，直到現在的第三代蘇-35重新設計才徹底解決結構問題。
但不要再用傳統飛機結構設計的老眼光來看待殲-20，它確實很長很大，卻不見得就很重。中國研究開發激光3D打印技術已經超過20年，2015年的《國防科技工業軍民融合發展成果展》上公開展出了激光3D打印製造的四代機鈦合金主承力構件實物。現場工作人員介紹，“展出的這款飛機機身整體加強框，生產週期只有採用傳統技術製造的五分之一，同時在強度、壽命等各項指標上，與傳統工藝技術部件相比更加優秀”。沈飛的殲-15、殲-16、殲-31，商飛的C-919客機，都已經廣泛使用了激光3D打印部件，包括需要承受粗暴著艦衝擊的殲-15艦載機前起落架。
▌面積達到5平米的目前世界上最大尺寸機身主承力構件，四代戰鬥機構型
據專家估計，用傳統鍛壓制造的F-22鈦合金機體構件，如果使用中國的3D打印技術製造，在強度相當的情況下最多可以減少40%的重量。在殲-20光滑細膩的蒙皮之下，是充滿中國創造精神的全新機體結構，強度大，重量輕，大大提高了飛機推重比。殲-20：我是身材高大，但是我的骨架身輕如燕
總結：殲-20超級複雜的鴨翼+邊條+大三角翼+全動垂尾氣動組合，將帶來極為出色的超音速/亞音速機動性；尖銳的菱形機頭、修長的升力體機身、大後掠角三角翼和優化的DSI進氣道設計，可以保證優秀的超音速巡航性能。
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