鸭翼的优点和缺点都有哪些,为什么中国的有些飞机有鸭翼?

fighterjets


鸭式布局与常规布局并无高下之别,关键还是看设计思路和综合设计水平。

鸭式布局作为上个世纪70年代后兴起的一种战斗机整体方案,目前已经大行其道、遍地开花,与常规布局形成分庭抗礼之势。

歼10作为中国第一种摆脱苏联战机传统、自主研制的战斗机,采用了标准的鸭式布局方案,获得了极大的成功,从此中国也正式加入鸭式布局大家庭。

而采用升力体边条翼鸭式布局的歼20则代表了鸭式布局设计水平的最高水准。

当然,说中国大多数飞机带鸭翼有点言过其实,毕竟歼11、歼16、鹘鹰、飞豹等战机还是常规布局。这也说明中国作为一个崛起的航空强国综合实力很强,并不局限于一种技术路径,而是根据自己的需求选择不同的方案。另一方面也说明鸭式布局于常规布局并无高下之分,只是路径之别。

在四代机的布局选择上,中国既有鸭式布局的歼20,也有常规布局的鹘鹰。

有一种广为流传的说法,采用鸭式布局的战机往往是因为发动机较弱,所以才需要气动设计复杂的鸭式布局进行弥补,所谓”动力不够气动凑“,歼20就是典型的例子。美、苏两大航空强国之所以不采用鸭式布局,就是因为美苏两国航空发动机牛逼,不需要采用鸭式布局。

但是这种说法并不客观,采用鸭式布局的欧洲台风战机使用两台非常强悍的EJ200发动机,性能比F414还好,堪称中推之王。

而美、苏不采用鸭式布局也不代表鸭式布局不如常规布局,F16设计师希拉克尔曾经嘲讽”鸭翼最好的位置是装在对手飞机上“。但是希拉克尔毕竟是上个世纪60、70年代的飞机设计师,那时的气动设计水平、战机飞控系统尚无法完美驾驭鸭式布局。而且美、苏在常规布局领域功力深厚,用常规布局非常顺手,没有必要冒着巨大的技术风险去更换门庭。

正如前文所说,鸭式布局并不比常规布局更好(当然也不更差),鸭式布局战机有着明显的优势与劣势,一型飞机用鸭式布局好还是常规布局好,取决于需求和设计水平。鸭式布局的优势有如下几个:

1、升力性能好,鸭式布局往往有更好的胜升阻比。

鸭式布局的最大特征就是在主翼前部设置一对鸭翼,而传统布局则是在主翼后设置平尾。虽然看似是将一对小翼安装在机体不同的位置上,但是对战机整体的气动影响则大相径庭。鸭式战机的前翼与主翼一样产生向上的升力,既可以克服飞机在飞行时的低头力矩,而且提升了整机的升力特性。正是因为如此,鸭式布局在我国最早成为”抬式布局“,非常形象。

而常规布局战机为了配平低头力矩、保持机头方向,需要尾翼下偏产生负升力(F16在平飞时尾翼需要下篇5度左右),以气动中心为支点,像一个跷跷板一样将机头抬起。这样的情况下,尾翼下偏降低了全机的升力性能,而且下偏的尾翼还增加了飞行阻力。

2、鸭翼与主翼耦合,利用脱体涡效应获得更高的升力特性。

鸭翼在大仰角状态下翼尖拉出的涡流压力较低,从主翼上表面流过可以提高主翼的上下压力差,产生更好的升力特性,这种效果与常规布局中的边条翼相似,但是鸭翼由于面积更大,而且可以大角度偏转,产生的脱体涡效果更明显。我国歼20采用了鸭翼+边条翼的组合,升力性能之强可可想而知,当然需要积极强悍的飞控才能驾驭。

3、鸭式布局的大三角主翼翼根长,与机身结合面积大,为提升整机机体结构强度、设置较大的机翼油箱提供更好的工程条件。

当然,与常规布局相比,鸭式布局有些与生俱来的缺陷,主要体现在以下几个方面:

1、鸭翼与主翼的耦合机制比较复杂,对飞控设计要求高,稍不慎就会出现飞行事故。

作为世界上最早采用鸭式布局的瑞典,在鸭式布局上深耕细作,但是在JAS39研制过程中仍然避免不了飞控事故。

2、鸭式战机由于采用鸭翼+三角翼的组合,诱导阻力大,使得战机敏捷性能好,但是持续机动性能差,也就是俗称的瞬盘性能好、但是稳盘性能差。

3、鸭式战机大三角主翼展弦比小,与常规布局的后掠翼、梯形机翼相比巡航效率低,载荷航程性能差。

4、鸭式战机由于鸭翼在前,使得战机的前向雷达截面积增加,不利于前向隐身。美国在五代机上不采用鸭式布局,这个就是原因之一。


从此萧郎是路人甲


f15 active,苏33,老苏35,苏30等都是是三翼面布局,不是鸭式布局,这个鸭翼的作用差别大了。不是主要制造涡流增升,而是放宽静稳定,增加敏捷性!鸭式布局也分近距耦合,中距耦合和远距耦合,其气动差别也非常之大!近距耦合(阵风),鸭翼主要是增升(大挂载大航程),远距离耦合(台风),增生效果变差,敏捷性增强。中国人历来中庸,所以中距离耦合。由于发动机推力不足,为了超音速减阻,所以主机翼展弦比最小。鸭式布局是静不稳定设计,对飞控要求很高,必须依赖电传操作,单凭人工无法控制。由于美国对三代机的研究始于60年代末,那时候电子计算机控制还很原始,所以美军的三代机f15采用常规布局,气动设计有大量二代机特征。而欧洲三代机研发已经是80年代了,计算机技术飞速发展飞控已经可以辅助人工驾驶了,所以三代半都是鸭式布局!欧洲双风,瑞典jas39,以色列狮,中国j10。美国也没闲着,也罢鸭翼研究透了,可是美军有了更高的四代机概念,认为常规布局加矢量发动机的极致隐身,4s性能远比鸭翼更具有吸引力!所以,仍然放弃鸭式布局。而我国由于歼10的成功,技术的一脉相承和发展,发动机的落后和透波材料,隐身涂料的研发,3d打印等一系列技术突破,歼20采用鸭翼远距耦合加边条翼的布局就是最佳选择了。



花菜扇脸


鸭翼布局是战斗机非常常见的一种布局,专业术语叫做抬式布局,这个布局可以说是最早的飞机布局,莱特兄弟研发的第一架飞机就是用的抬式布局。抬式布局之所以出现的最早,体现出的就是他出色的升力效果。

图为歼10战斗机,作为我国第一种自研的四代机,他就是一款使用了鸭翼的第四代中型战斗机。

一般而言,飞机都有多个控制翼面,比如主翼、尾翼(鸭翼)、垂尾,飞机依靠这些控制翼面完成各种机动动作。其中,主翼主要提供飞机的升力,尾翼(鸭翼)主要提供飞机向上、向下的纵向机动,垂尾则主要提供飞机向水平方向的机动。现在也有一些飞机省却了其中的部分翼面,比如B2轰炸机就没有垂尾和尾翼,幻影战斗机则没有尾翼(鸭翼),他们都把相关机动动作的控制交给了其他翼面,这样不可避免降低了飞机的机动性。

图为飞行者一号,人类历史上首架飞机使用的就是鸭翼和抬式布局。

在常规布局飞机中,尾翼在主翼之后,而在抬式布局飞机中,鸭翼在主翼之前,可以说,鸭翼就是把飞机的尾翼前置的一种气动布局,这样做的好处首先在于提高升力。现代战斗机重量很大,而且重心后移,主要因为飞机后部的发动机重量较大,而且现代战机的油箱多位于飞机座舱后部,占用的重量也较大,这些都不可避免导致了飞机的重心后移。

上图为歼10战斗机,下图为德国的台风战斗机;现代战机发动机和武器挂载、油箱都在飞机后部,重心偏后,鸭翼的配平作用非常明显。

常规布局的战机飞行中,尾翼需要向下偏转,产生负升力,以克服飞机飞行中因为机尾重、机头轻,以及飞机本身前部机体产生的正升力导致的机头上扬问题,这样,飞机的主要两个水平翼面中,只有主翼产生升力,尾翼却在消耗升力,导致飞机的升力降低、载重下降、航程速度减小等问题。鸭翼在主翼之前的抬式布局飞机则不同,他们的升力要大的多。

图为台风战斗机,它属于远距离耦合式鸭翼,飞机的配平作用大于产生涡流的作用,主要帮助飞机取得高速飞行的能力。

在抬式布局飞机中,由于鸭翼在前,因此鸭翼对于配平飞机的重心有很大的作用,鸭翼的动作机构和机械设备重量也不轻,对发动机重量本身产生了平衡作用,因此飞机的重心非常稳定,在飞行中,鸭翼可以产生升力,主翼也在提供升力,使得飞机总的升力提高,飞机的速度、航程扩大,载重增加,机动性得到明显的改善。

图为歼20在大仰角机动中拉出的涡流,歼20可以使用5对涡流,飞机的机动性非常强大,气动设计极为复杂,水准很高。

其次,鸭翼现在还分为近距耦合鸭翼和远距耦合鸭翼、中距耦合鸭翼等。这个耦合的距离不同,也体现出鸭翼不同的功效,但是总之都是利用了鸭翼的另外一个特点:涡流产生器。鸭翼在飞机大仰角机动中,会在气流中拉出涡流,涡流本身是一种复杂气流,在过去,科技水平不足以控制和利用涡流,涡流产生后飞机主翼上方的气流被扰乱,升力持续加大,飞机很难稳定和配平,因此往往陷入飞机不可控,甚至是坠机。

图为F22战斗机在快速转弯中,由大边条产生的涡流,边条也可以产生涡流,但是其他的性能较差,属于想要利用涡流的保守设计。

但是现在不同,通过鸭翼来产生可控的涡流,使得飞机取得了使用涡流的能力,飞机可以利用主翼上方被扰乱的气流,加大主翼的升力,在大仰角机动中取得更灵活的性能,飞机的爬升率大大提升,转弯半径大大缩短,翼载荷降低,可以承受更大的机动过载系数,因此鸭翼布局的飞机在格斗空战中具有一定的优势,敢于尝试一些常规布局飞机不敢尝试的动作。

图为歼10B矢量型和歼15战斗机,我国在鸭翼使用上经验非常丰富。

至于我国的飞机大多数有鸭翼这个问题,其实也不光是我国,欧洲研发所有的第四代飞机也都有鸭翼,比如阵风、台风和JAS39鹰狮战斗机等,俄罗斯研发的苏30SM战斗机也使用了鸭翼,在全新一代的五代机中,俄罗斯的苏57也有隐藏鸭翼,我国的歼20也采用了鸭翼。其实,不可否认的是鸭翼确实对提高飞机的飞行性能有很大的帮助,但是也同样带来了造价升高、气动复杂、飞控复杂、故障率高、坠机较多等问题,美国鸭翼用的就相对较少,这是美国独特的条件决定的。

图为我国新一代战机搭档,歼20、歼16、歼10C,其中两款拥有鸭翼。

在美国,对飞机的设计制造不需要太过于极端和激进的性能,超级大国有足够的财力物力保障飞机的数量和规模,因此美国的战机要求性能可靠、成熟,而且大都是多用途飞机,可靠比什么都重要,于是美国并不愿意耗费巨资在鸭翼上,只是将相关技术吃透后用于技术储备完事。当然,美国的航空发动机推力较大,性能较好,可以弥补飞机机动性能的差距,这也是美国不使用复杂气动布局的原因。


海事先锋


鸭翼的优势在于配平和涡流耦合,他在超音速以及大仰角飞行中具有明显优势,我国成洛马在鸭翼方面研究相当深

鸭翼的最大优势就在于配平,飞行器在飞行时由于外界气流影响、大气密度变化、飞行速度变化、重心改变(由于油量消耗和投弹等)以及气动舵面调整都会导致飞机力矩的不平衡,需要重新调整平衡,这就是配平。配平也是飞机尾翼和鸭翼的最主要作用,鸭翼本质上就是安装在飞机前面的尾翼。

常规布局飞机由于机首突出,主翼靠前,通常情况下水平飞行也会产生过度的抬头力矩,所以尾翼主要作用是产生向下压的下压力矩进行平衡。而鸭翼布局飞机,主翼位置往往相当靠后,机首产生的抬头力矩无法弥补自身重量,如果没有鸭翼,飞机平飞时前面就要掉下去,所以鸭翼主要是产生向上的正升力进行配平,“抬”着飞机前进,这样一加一减,鸭翼在升力方面就要比常规布局好一些。而且配平力是速度越快、飞机越重,配平力也就越大,鸭翼的升力优势也就越明显。所以在70年代,美国和俄罗斯研制超音速战略轰炸机时,不约而同的选择鸭翼布局,分别建造了XB-70 女武神和T-4,原因就是看中鸭翼对于超音速飞行的改善作用。同时鸭翼在前,其配平力臂要长很多,同样看上图的XB-70,如果采用常规布局的话,那么需要非常大的尾翼才能有效配平,而鸭翼布局只需要这样较小的鸭翼就可以了。

另一方面作用就是涡流耦合,飞机飞行过程中,翼尖会形成一股强烈的旋转气流,成为涡流。鸭式布局飞机,可以让鸭翼拉出的涡流,冲击主机翼上表面,从而增加主翼升力水平。特别是飞机进行大仰角飞行,复杂机动时主机翼表面气流不稳定时,鸭翼的涡流耦合效果更加明显,这也是鸭翼飞机机动性能要比常规布局战斗机好的原因所在。

在上世纪80年代,鸭翼布局成为航空界的热门选择,他能够满足战斗机超音速性能和高机动的追求。欧洲先后开发台风、阵风和鹰狮战斗机,前苏联进行米格1.44,而美国的ATF计划前期也是一大票鸭翼布局,甚至1989年前外界都认为美国下一代战斗机也是鸭翼布局,因为当时ATF主要强调超音速巡航和超机动能力。

洛克希德马丁公司的ATF计划中早期鸭翼设计,美国空军是在1987年修改指标书,将最低雷达探测面积缩小一百倍,从一平方米减少到0.01平方米,才导致鸭翼设计方案暴死,回到常规布局上。隐身性能欠佳,这也是鸭翼的最大缺点。

洛克希德·马丁公司90年代中期给海军JAST设计也还是使用鸭翼布局,后来JAST并入空军的JAS计划,空军又逼逼一堆隐身要求,逼的洛马改回常规布局,推出F-35。实际上天地可鉴,洛马真的是铁杆的鸭翼布局粉丝,实在是人在江湖,身不由己。

鸭翼不利于隐身,最根本的原因在于鸭翼和主机翼不在一个平面,雷达正面照射过来后,在角度适合情况下会导致鸭翼和主翼间形成折射放大雷达反射面。美国曾经试过将鸭翼与主机翼放在同一水平面,即X-36验证机,这样的确可以保证隐身效果。但是涡流耦合没有了,鸭翼拉出的涡流直接冲在主机翼正面,反而大大增加飞行阻力,得不偿失。

我国鸭翼布局战斗机实际上就两种啊歼-10和歼-20,都是成都飞机工业集团(成飞)作品,他在鸭翼方面的研究不仅相当长,而且相当深,真的可以用成洛马来形容。其对鸭翼的研究,始于上世纪60年代末的歼-9战斗机计划,该计划设计指标要求达到双2.6标准,即最高飞行速度超过2.6马赫,最高飞行上限为2.6万米,用来拦截敌方高空超音速轰炸机。当时我国航空发动机水平要想达到这一标准非常困难,前面我们提到鸭翼更利于超音速,所以当时成飞就设计以鸭翼作为主要设计思路,提出多种设计方案。

歼-9战斗机最终在改革开放后空军布局调整而下马,但成飞在歼-9获得研究成果上进行修改调整,从截击机改为高性能战斗机,在空军的10号工程中,击败沈飞的常规布局方案。成为现在的歼-10战斗机,并取得重大成功。在如何攻克鸭翼布局对隐身不利方面,成洛马也有自己创新。那就时鸭翼上反、主机翼下反,两者近似一个平面,在远端形成高低落的设计。歼-20正面上来看,鸭翼、主机翼、垂尾和腹鳍似乎从一个点向不同方向伸展出来,从而形成类似“千手观音”的局面。
这种布局的实际隐身效果不得而知,但是需要注意的是,波音公司推出的为海军研发志在取代F/A-18E/F的下一代多用途战斗机中,也是采用这种近似一个平面的设计风格。


五岳掩赤城


鸭式战斗机就是把正常布局的战斗机的尾翼缩小放到了前面,也叫抬式布局。主要是快速爬特别好,都是往上抬的力,作为空优战斗机,截击机很优秀,这也是优势所在。

反过来就不那么好了,比如向下俯冲进攻时,正常布局成了反抬式,和鸭式布局正相反。这就是为什么美国人喜欢正常布局的战斗机,对鸭式战斗机不那么感兴趣,因为美军综合实力就是进攻,正常布局正适和进攻。

看看欧洲三剑客,中国的歼10基本上都是防御型战斗机,防是苏27进攻。而以色列的狮式战斗机是进攻战斗机,用鸭式以色列遇到了大麻烦,所以失败了,如果作为空优战斗机肯定是成功的。但以色列在中东不需要空优战斗机,因为对手都比较菜。

中国的歼20也是鸭翼,但他是以进攻为主的空优战斗机,这也是宋文骢院士为首的科研小组的大成果。其他鸭式战斗机的鸭翼都比主翼高出不少,而歼20是在同一条线上,只是有个小角度,改变了鸭翼战斗机的特点。可以看一看下一代这个战斗机的模型,带鸭翼的战斗机都把主翼和鸭翼安排在了同一条直线上,这就是中国的发明创造。

也就是说,鸭翼的歼20和下一代的鸭式战斗机前程很光明,这是值得中国骄傲的科研成果。



大志远思想空间


气动布局就是指飞机的各翼面,如主翼、尾翼等是如何放置的,气动布局主要决定飞机的机动性.自从莱特兄弟发明第一架飞机以来,飞机设计师们通常将飞机的水平尾翼和垂直尾翼都放在机翼后面的飞机尾部。这种布局一直沿用到现在,也是现代飞机最经常采用的气动布局,因此称之为“常规布局”。 鸭式布局,是一种十分适合于超音速空战的气动布局。早在二战前,前苏联已经发现如果将水平尾翼移到主翼之前的机头两侧,就可以用较小的翼面来达到同样的操纵效能,而且前翼和机翼可以同时产生升力,而不像水平尾翼那样,平衡俯仰力矩多数情况下会产生负升力。早期的鸭式布局飞起来像一只鸭子,“鸭式布局”由此得名。 采用鸭式布局的飞机的前翼称为“鸭翼”。战机的鸭翼有两种,一种是不能操纵的,其功能是当飞机处在大迎角状态时加强机翼的前缘涡流,改善飞机大迎角状态的性能,也于飞机的短矩起降。真正有可操纵鸭翼的战机目前有欧洲的EF-2000、法国的“阵风”、瑞典的JAS-39等,还有如今我国最先进的三代歼击机歼-10。这些飞机的鸭翼除了用以产生涡流外,还用于改善跨音速过程中安定性骤降的问题,同时也可减少配平阻力、有利于超音速空战。在降落时,鸭翼还可偏转一个很大的负角,起减速板的作用。

飞机的设计任务不同,机动性要求也不一样,这必然导致气动布局形态各异。现代作战飞机的气动布局有很多种,主要有常规布局、鸭式布局、无尾布局、三翼面布局和飞翼布局等。这些布局都有各自的特殊性及优缺点。鸭式布局:1.这种布局利用前翼的脱体涡流扫过机翼产生的有利干扰,推迟机翼气流分离,延迟了机翼失速,可获得较大的大迎角升力,减小大迎角阻力,为飞机提供过失速飞行状态时的稳定度。

2.通过和经过气动弹性剪裁后的后掠机翼联用,使机翼产生接近椭圆的展向压力分布,从而减小了飞行阻力。配合大后掠三角翼,近距藕合布局的纵向面积分布较好,机身后部外形光滑流线,超音速阻力小。

3.前翼还可以用作直接控制技术的很有效的操纵面,通过采用主动控制技术,也可以减小鸭翼载荷,对减小配平阻力和提高配平升力有利。同时,鸭翼位置靠近飞行员,有利于低空操纵性,并有利于阵风抑制系统的应用。

4.近距耦合布局特别适宜于和三角翼的机翼匹配,这种布局对重心安排有利,可减小起飞、着陆距离,增加机动能力,以及可减小飞机总体尺寸、减轻重量和降低成本。

鸭翼布局:就像SU-33那样,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,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。 缺点:雷达波反射面积大;对导弹的空气动力方面有些影响;增加战机重量 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。 缺点:相对不太灵活。


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近几年,中国空军迎来了跨越式发展,一大批先进战机相继服役,歼10、歼11、歼16以及歼20等共同组成了我国空军主力战斗机阵容。而在这些战机型号中,与歼11系列不同,歼10和歼20都采用了鸭翼的气动布局设计。不仅我国战机是这样,欧洲的台风战斗机、法国的阵风以及瑞典的鹰狮等都采用了鸭翼。

(歼10战斗机)

(歼20与歼16战斗机)

(阵风战斗机)

鸭翼的叫法源于法语中的“鸭子”一词,它就是主机翼前面的一对小三角翼,因其布置位置与尾翼相反,像鸭子一样而得名。鸭翼又分为两种,一种是不可操纵鸭翼,主要用于加强飞机在大迎角飞行时机翼的前缘涡流,增强大迎角飞行时的操纵性,提升战机的短距起降能力,例如瑞典的saab-37战斗机。另一种则是可操作鸭翼,也是目前主流鸭翼类型,它的主要作用是增加涡流,减少配平阻力,提升战机的机动性能。

(瑞典的saab-37战斗机)

(F15 Active验证机采用的就是全动鸭翼)

鸭翼的好处在于它产生的涡升力。气流通过鸭翼后,会在机翼上面形成一系列稳定涡流,这些涡流再通过主机翼上面时,会增加主机翼上表面的气流速度,使主机翼获得一个更强的升力增量。在相同的升力条件下,鸭式布局的飞机所需迎角会小于正常布局飞机的迎角,所以鸭式布局飞机的配平阻力明显小于正常布局的飞机。在发动机性能不佳的情况下,这对于保持战机性能可以说是非常有利的一面。同时,在大迎角飞行时,鸭翼迎角通常要大于主机翼的迎角,鸭翼会先于主机翼出现气流分离,导致飞机低头,这样可以使得鸭式布局的飞机不易失速。此外,因为鸭翼在主机翼的前面,在大迎角飞行过程中,它可以在一定程度上控制主机翼上经过的涡流。那么在大迎角条件下或者拉迎角过程中,鸭式布局的战机就具备了快速机动的能力,从而让战机的机动性和敏捷性显著提高。

(鸭式布局的鸭翼可以提供强大的升力)

(鸭式布局可以极大的提升战机的升阻比)

(鸭翼可以控制主机翼上面经过的涡流)

不过,鸭式布局的缺点也比较明显。首先就是操纵系统的要求会很高。在电传操纵成熟以前,可动鸭翼的控制极其复杂,稍有不慎就会造成飞机失控,以前的飞机大多采用固定式鸭翼,主要用于提升短距起降能力。电传操纵成熟后,人们通过飞控软件,可以很好的控制战机姿态,发挥出鸭翼的优势。因此,要想鸭翼保持可控,就需要具备较高的飞行控制技术。其次,鸭式布局设计不仅要考虑好鸭翼的大小,还要考虑它与主机翼的相对位置。根据战机设计要求,决定鸭翼与主机翼间的位置,既不能太近也不能太远。太近,鸭翼产生的涡流变化复杂,会导致升力的变化变得非常剧烈,使飞机变得难以控制。太远,鸭翼产生的涡流对主机翼影响有限,则会导致升力不足。

(歼10采用的是鸭翼近距耦合设计)

(台风战斗机强调远程截击,注重超音速的敏捷性,其鸭翼与主机翼距离较远)

歼10的研制历时20多年,在特殊的历史环境下,成飞克服了重重困难,吃透了鸭式布局的设计,才让我国获得了一款优秀的战机。由于我国在航空发动机领域有着很多不足,而鸭式布局又可以在很大程度上弥补这一问题,加之它还可以提升飞机的机动性和敏捷性,所以我们才会如此钟爱鸭翼。尽管如此,这两款鸭式布局战机都非常成功,他们极大地提升了我国空军的战斗力,让我国成功跻身于世界战斗机发展的第一梯队。

(歼20战斗机)


战情解码


鸭翼的历史由来已久,其实人类历史上第一架飞机飞行者一号就是将操纵面放在机翼前,这就是典型的鸭式布局。

飞行者一号,操纵面在主翼之前,这是鸭式布局的特征。飞行者一号前方的

历经100多年的发展,鸭翼布局一直从未被放弃,到了21世纪更是有许多战斗机都采用了鸭式布局,例如阵风,台风,J-10,J-20,苏-30等。

我们先来看第一个问题,鸭翼的缺点和优点都有些什么呢?

鸭翼其实很复杂,随着鸭翼的面积,位置和形状等的变化,鸭翼的优缺点特性都是在发生变化的。最简单的例子:根据鸭翼和主翼的位置关系,有利干扰等可以分为远距鸭翼和近距鸭翼;根据鸭翼同机翼的水平位置关系又可以分为上鸭面,中鸭面和下鸭面;根据鸭翼的形状又可以引入梯形,圆形等,还可以同主翼一样加入,展弦比,后掠角等参数。

实际上按照严格的教科书上的定义来讲的话,是没有中距鸭翼的,中距鸭翼可以算是一个网络自创词语

我举上述的例子是为了说明,鸭翼是很复杂的,这个简单的问答中是讲不清的,所以我会从远距鸭翼和近距鸭翼入手说明鸭翼的优缺点。

近距鸭翼和远距鸭翼的优点有些不一样,但缺点是基本一致的,所以我先说各自的优点。

近距鸭翼的优点:鸭翼会增加升力系数,产生额外的向上的正升力,这可以让飞机更擅长于瞬盘,也可以让飞机更加的敏捷。

此图来自于《飞机气动布局设计》,讲述了近距鸭翼增大升力的原理

一般的鸭翼飞机升阻极曲线更为的平缓,弯度系数较小增加近距鸭翼可以直接提高升力系数,对于机动性一般的飞机的确是有部分好处的,因为瞬盘对于改变机头指向是有极大好处的。

此图来源于《航空飞行器飞行动力学》,这是一个升阻极曲线。因为升力系数和阻力系数是关于速度和攻角变化的函数,

(此图的Ma数已固定)所以升力系数和阻力系数实际上一直在变化。极曲线就是描述升阻比变化的,这是飞机很重要的参数。通过上图我们可以看见,如果极曲线的弯度系数比较小,那么在增加相同升力系数时,弯度系数较小的飞机阻力系数增加的更大,升阻比就会更低,所以加入近距鸭翼用来提高升力系数是很好理解的

近距鸭翼的第二个优点就是跨音速波阻更小,因为近距鸭翼靠近主翼其纵向面积分布更为平滑和均匀符合超音速面积率。

阵风就是典型的近距鸭翼布局

远距鸭翼的优点就是:擅长超音速配平。什么是超音速配平呢?很多人可能不理解。

配平其实很简单,飞机在天空中飞行的时候,是不可能时时保持一个平稳状态的,所以这需要飞机的平尾,副翼和垂尾去维持飞机在俯仰,横滚,偏航力矩的平衡。

所以就会产生配平阻力,在这其中能够显著减小的就是俯仰配平阻力,我们都学过杠杆定理,知道力臂越长越省事,对应到飞机中也是一样的。那么我们如何去将力臂变长呢?

从台风的顶视图我们可以看出来,由于主翼位置靠后,飞机的重心相对于常规布局的飞机更加靠后,而台风的远距鸭翼却很靠前,力臂就很长,学过杠杆原理的都应该知道,力臂越长越省力

对于俯仰配平阻力来説,我们可以寻找鸭翼,远距鸭翼到重心的距离比平尾到重心的距离更远,所以力臂更长,所以相同情况下配平时舵面偏转就会小,产生的配平阻力就小

近距鸭翼和远距鸭翼还有一个共同的特点,那就是一般为了实现鸭翼与主翼的有利干扰,主翼一般采用三角翼,三角翼的显著特性就是小展弦比,大后掠角,这样的机翼设计可以有效的减小超音速波阻。

然后我们来说鸭翼的缺点:1. 鸭翼的俯仰配平效率较低。虽然有很多论文论述了鸭翼是有利于飞机的大攻角稳定性,升力和减小大攻角下的阻力。

但是在现实生活中,还没有哪架无TVC的鸭翼机能够光凭借鸭翼的俯仰配平能力拥有大攻角性能。

此图来源于《飞机气动布局设计》,是近距鸭翼在0.2Ma的低速下风洞的数据。(主翼和鸭翼的具体参数我并没有截图)我们能够明显看出,在攻角超过大概33度左右时,鸭面的配平效率显著下降,并且趋势极快

2. 鸭翼不利于隐形。相对于常规布局来说,鸭翼舵面的偏转会对飞机的正向RCS产生较大影响,平尾却不会。因为占位效应,平尾会被前方巨大的主翼遮蔽,而鸭翼前方显然是没有的。

上世纪90年代NASA委托波音做的研究就是这样的,最后一行,全动鸭翼的利弊一清二楚

国内西工大的论文也指出了这点,此图来源于《鸭翼电磁散射特性分析与RCS减缩方法研究》

3. 鸭翼的亚音速机动能力较差,这一点尤其表现在远距鸭翼布局上。我在之前的内容中就说过为了实现鸭翼和主翼的有利干扰,主翼一般选择了三角翼。三角翼的特点就是小展弦比,大后掠角,这种翼型的优势就是超音速波阻较少。

但是这种翼型也有缺点,缺点就是亚音速下的诱导阻力较大,导致升阻比会较低,升阻比低会直接导致飞机的能量机动性较差。

对于远距鸭翼布局的飞机来说,这个问题尤为明显。许多鸭翼机都存在这个问题,台风,阵风均有这方面的问题。台风的解决方法是大推力的发动机,提高自身的推重比。

从这个公式来看,升阻比和推重比对于SEP都很重要,这是定常平飞状态下的能量机动公式

以上就是鸭翼的优点和缺点,远距鸭翼和近距鸭翼各有不同。我想说的是飞机的性能和气动布局相关,但气动布局却不会决定飞机的性能,而且各自的气动布局都有各自的优点。

我举个例子,理论上从气动布局上来讲远距鸭翼+三角翼的布局,是非常擅长超音速的,不仅波阻小,配平阻力也很小。

但F-22通过TVC参与俯仰配平,在超音速下升阻比反而超过了鸭翼+三角翼。这就是典型的气动并不决定飞机性能的典型例子。

第二个问题:为什么中国的飞机大多数都有鸭翼?

J-20就是典型的远距鸭翼+三角翼的布局,所以我个人认为J-20的主要任务是截击

首先这个大多数只局限于战斗机,而且准确的说这个范围只取决于中国自己研发生产的战机。

我个人认为这和我国目的国防需求关系,自开国以来,我国对于DCA(防御制空)的需求一直很高。所以战斗机的研发方向和构面方向一直是偏向于截击方向,苏-27,J-8,J-20都是典型例子。(J-10也可以算,不过自从有了J-20现在在追求J-10对地打击能力)

鸭翼+三角翼正是擅长于截击的布局,台风的也是这样的,为了追求冷战时期快速奔赴战场进行拦截的能力,台风采用与距鸭翼是很正常的,我们国家也是这样的。

虽然台风出现时冷战已经结束了,但是其研发思想是基于冷战时期如何对抗苏联空军

鸭翼的优缺点都有些什么?远距鸭翼的优点:1. 擅长超音速配平。2. 超音速波阻较小。近距鸭翼的优点:1. 鸭翼会增加升力系数。2. 超音速波阻较小。

缺点是:1. 鸭翼的俯仰配平效率较低。2. 鸭翼不利于隐形。3. 鸭翼的亚音速机动能力较差,这一点尤其表现在远距鸭翼布局上。

为什么中国的大多数战机都使用鸭翼?这是因为我国对于DCA(防御制空)的需求一直很高。所以战斗机的研发方向和构面方向一直是偏向于截击方向。

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英雄光


这个问题提的有够业余。

在计算机自动飞行控制技术应用之前,鸭翼布局的飞机几乎等于自杀。

鸭翼布局又称抬式布局,在飞机前面增加一对鸭翼为了产生有利于飞行的的涡流,同时相当于给飞机增加了一对前置的操作面,所以早期的部分鸭翼是固定式的,即便如此,也很少有飞行员能实现这样复杂的操控。

所以成飞研制的歼9因为技术不成熟而夭折。歼10则是成飞第二型鸭翼布局的战斗机,歼20是一脉相承的第三型。沈飞吗,歼15则是吃苏霍伊的技术积累。而之前中国的战斗机都是采用常规布局。




JackZ捷


中国的飞机不是大多采用鸭翼,即使是战斗机中,鸭式布局也只有两种,属于少数。就是在中国自己研制的作战飞机中,歼八,歼十,歼二十,歼轰七,强五,鸭式也不多。

中国的鸭式飞机最早是在研制歼九的时候做过一些测试研究。在第三代战斗机出现以后,出于对提高机动性的考虑,鸭式自然是首选。

从飞机结构上看,三角翼比后掠翼有很多优越性。结构强度高,刚性好,气动简单。后掠翼在高速飞行时的扭转变形非常危险,中国在理论研究上有短板,也缺乏先进的计算机技术。三角翼可以避开这些基础问题。

其次是成都歼七就是米格-21的仿制品,有现成的样品可供参考。

国外的影响。法国幻影的成功,让一些国家看到简单的三角翼外形也可以让战斗机达到较好的性能。而瑞典的创新挖掘了三角翼的发展潜力。

从有尾三角翼,到无尾三角翼,再到鸭式三角翼,这是一个很自然的发展过程。

美国很少采用三角翼。美国喜欢在翼尖安装挂架,增加飞机外挂点,提高对地攻击能力。特别是轻型战斗机,大部分都有翼尖挂架。后掠翼的F-86、F-100、F-8没有,三角翼的F-102采用机内弹舱,梯形机翼的F-84、F-104、F-5、F-16、F-18都有。

鸭式飞机一个主要问题是静安定性不好。其次是起降滑跑距离长。由于三角机翼靠后,后掠角大,机翼挂架不好安排,翼尖挂架对飞机重心影响大,不能安排挂架,特别是轻型战斗机的重心裕度更小。

美国空军总是要战斗机具备对地攻击能力,对于挂架少,轻型战斗机总是不屑一顾。

三角翼战斗机的机翼面积比较大,翼载比较低,适合高空飞行和空战。但是低空飞行阻力大,失速速度高,也不适合对地攻击。第三次中东战争中,以色列的幻影虽然空袭了埃及机场,但是载弹量少也是不能回避的。而且以色列把幻影主要是用作格斗战斗机,对地攻击大量使用亚音速的A-4天鹰。

苏联在米格-21以后,也放弃了三角翼。原因之一就是增加远程航空兵比重和增强对地打击能力。采用变后掠翼和恢复小展弦比后掠翼。

欧洲三剑客的瑞典和法国是采用自己熟悉的技术经验,台风的主要目的是在机动性上与苏-27抗衡。在研制经费预算不多的情况下,外形简单的鸭式当然是首选。

中国歼20沿用鸭翼,只能说是设计师习惯决定的。在项目成功的可靠性和项目技术先进性之间,选择前者风险小,投资少。


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