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[转帖] 美军曾嘲笑鸭翼布局 但歼20解决一难题后令其无语

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文章摘要:美军曾嘲笑鸭翼布局 但歼20解决一难题后令其无语 ,双面胶带光火草莽,史书多少个持有。

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发表于 2017-7-21 06:51 | 只看该作者 |倒序浏览 |阅读模式

  图:鸭翼应该长对手战斗机身上的论断,经常被用来嘲讽歼10乃至于歼20

  图:歼20代表了现阶段鸭式布局的最高发展水平
  F16总设计师的“鸭翼最好的位置,就是长在对手战斗机上”的论断,是在早年控制技术尚不成熟(F16早期只有模拟电传飞控可用)时做出的;具备极大的时代背景特色和局限性,在上世纪90年代以后就随着阵风战斗机的成熟而成了笑话。

  图:人类气动发展历史上,JA37的地位远远高于F22和歼20。它采用固定鸭翼,性能和风险都较低

  图:大黄蜂战斗机从边条上形成脱体漩涡气流,增强机翼升力

  图:FC-1战斗机的脱体漩涡,肉眼能直接看见的只是凝结的水气,是涡流区域核心的一小部分
  在瑞典在JA37上首先突破脱体漩涡流型,率领包括F22、歼20在内的现在所有先进战斗机,学会在机翼前方制造强烈漩涡气流,大幅度提升飞机升力性能以后;鸭式布局成为了战斗机研发的热点,并且真正兴起到与常规布局平起平坐的地位。
  鸭式布局的核心优点来自两个方面。第一个优势来自于进入超声速飞行状态以后,激波的产生会使得飞机的气动力中心急剧后移。换句话说,同样是控制飞机抬头和低头,平尾的控制效率就低了——因为力臂短了;而鸭翼的效率就会提高——因为力臂长了。

  图:注意F15的水平尾翼是用尾撑延伸到喷管以后、远离后机身的
  特别是由于喷气战斗机的发动机在后面,重心本来就靠后;鸭翼只需要更小的面积,而且不需要利用尾撑结构进行延长,就能获得相同的操纵能力——这意味着更轻的重量和更小的阻路。
  第二个优势在于鸭翼本身继续作为类似水平尾翼、起到俯仰控制面作用的同时,同时充当了撕裂迎面气流、卷起漩涡的涡流发生器。而在第三代战斗机上,需要额外的边条翼来起到类似的作用;这意味着更大的阻力与重量,而且由于边条翼的宽度和面积、特别是与机翼的空间关系等因素,其产生涡流的强度和增升效果不及鸭翼。

  图:鸭式布局的涡流耦合带来了极大的控制难度
  但是,鸭式布局的第二个优势,带来了灾难性的控制难度和风险。利用漩涡来增加升力,本身就是非常危险的做法——随着涡流发生器和迎面气流的夹角增大或者减小,涡流的增强和衰弱是非常敏感而急剧的。
  就像一辆调校极烂的小排量高功率涡轮车排队爬地库过门禁系统,油门踩轻了,熄火溜车撞后车;油门踩重了,车辆窜出去撞前车。在边条翼的常规布局上,控制难度要低很多;毕竟水平尾翼和边条分离,产生的涡流本身强度也弱一些,不算太难处理。

  图:鸭式布局的控制风险,在JAS39上暴露无遗
  但是在全动鸭翼的鸭式布局战斗机上,鸭翼本身让飞机抬头低头的过程就是要上下偏转的;这意味着同样的偏转指令,鸭式布局战斗机的涡流变化和飞机姿态的响应,剧烈程度远远超出常规布局战斗机。
  这意味着两个方面的问题——首先,要将全动鸭翼的鸭式布局战斗机实用化,需要一套非常先进的飞行控制系统;能够运行非常复杂的控制律软件,极为灵敏和准确的控制战斗机。这个问题,直到数字化的电传飞控系统实用化以后才得到解决。

  图:阵风已是整体设计水平最好的三代机,但距离完整发挥鸭式布局理论性能极限仍然很遥远
  其次,鸭式布局的战斗机,在设计时必然将遇到相当多的局限,为了保证飞行控制安全而不得不放弃理论上性能最好的气动设计。这一点在三代机上表现的很明显,比如三代鸭式布局战机没有一种能将鸭翼和机翼水平安置,将整个机身做成真正完整的升力体布局设计,主要的问题就是降低飞行控制的难度和风险。直到歼20才解决这个问题。

  图:依赖发动机的紧凑和两元喷口,F22的后机身截面积缩小、扁平化做得非常成功,极大降低了机身的高速阻力,并有效提升了升力体机身的升力表现,这一点是现在的歼20所不及的。类似的这些因素,都会使得战机的最终性能水平,并不单纯取决于用了鸭式布局还是常规布局。
  换句话说,在相当长时间内,鸭式布局都是一种设计风险和难度高得多的选择。但是战斗机最终的整体飞行性能受到的影响是非常多方面的,选用鸭式布局却无法将其理论优势尽数发挥的话,那么还不如选择自己最熟悉的布局路线,将其设计尽可能优化到最好水平,获得的性能反而会更好。

  图:三翼面布局的玩意,改改技术验证机就行了,拿来做原生战斗机方案简直愚不可及
  鸭翼最好的位置在哪里,根据不同的思路不一定有定论——比如阵风和歼20,设计思想权衡就不一样;但是鸭翼最蠢的位置在哪里,却是非常明显的——比如21世纪以后还拿来参与五代机竞争的三翼面布局战斗机身上。(作者署名:候知健)
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