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2020
01

战斗机采用鸭式布局的优点和缺点

为了应对不同的任务需求和机动特性,飞机在进行气动布局选择时也是形态各异。而战斗机经过百年的发展已经衍生出多种不同特性的气动布局,如常规气动布局、无尾布局、鸭式布局、三翼面布局、前掠翼布局以及飞翼布局等,而不同的气动布局也有着不同的特点,对飞机也就有着不同的影响。那鸭式布局有着怎样的优点和缺点呢?

典型的气动布局

一、什么是鸭式布局?

其实,1903年莱特兄弟制作发明的第一架飞机“飞行者”1号就是将操纵面放在了主机翼之前,从如今的气动布局划分上来看,“飞行者”1号布局方式就是鸭式布局。鸭翼布局是将常规布局的飞机上平尾移动到主机翼的前面两侧,而这种布局方式的飞机在外形上像一只鸭子,因此得名“鸭式布局”,飞机前面的两个翼面也被称为“鸭翼”。而“鸭翼”一般为展弦比较小的三角形翼面。

“飞行者”1号

虽然莱特兄弟的第一架飞机就是鸭式布局,但那时候人们对空气动力学尚未进行深入研究,而且后来人们发现拥有“鸭翼”的飞机容易失速,将其作为主要操纵面不容易控制,对飞机来说是十分不利的。为此,在稳定性和操纵性被人所重视后,常规布局成为了主流的气动布局,别各种飞机所使用。而在战斗机进入高速飞行的喷气时代之后,人们又发现鸭式布局比常规布局更适合超音速战斗机,因此鸭式布局又重新进入人们的视野。

超音速飞喷气式飞机

二、鸭翼布局有什么优点?

1.增加总体升力

在常规气动布局中,飞机的重心处于机翼之前,为了维持飞机的飞行状态,就需要在机翼产生的正升力的同时,需要平尾产生负的配平力将机头“压”起来,此时飞机的状态为机翼升力-平尾升力=飞机的重力,是损失了机翼的升力的。而采用鸭翼的飞机则与之不同,鸭式布局的重心位于机翼和鸭翼之间,此时前置鸭翼与主机翼一样都可以为飞机提供正升力,以增加飞机的总体升力。

鸭翼布局与常规布局的升力比较

除此之外,安装位置较高或者飞机在进行大迎角飞行时前置鸭翼产生涡流,涡流在经过主机翼上表面时,会增加上翼面与下翼面之间的压力差,从而使得主机翼在原有基础上形成升力增量,这就仿佛汽车技术的“涡轮增压”技术,进一步提升飞机的总体升力,所以采用鸭式布局的飞机会改善其升力特性,节省发动机推力,相同发动机推力的情况下,采用鸭翼布局的飞机会有着更大的起飞重量。

鸭翼产生的涡流

2.解决飞机重心后移带来的影响

初期螺旋桨飞机的发动机和螺旋桨都位于飞机的前面,这使得飞机重心靠前,而常规气动布局的后置平尾可以得到较大的力臂,另外平尾位于主机翼下洗场的涡流中,对于飞机整体的平衡能力和操纵性是十分有利的。而在战斗机进入喷气时代之后,较重的涡扇/涡喷发动机被布置在了飞机的后方,再加上为了适应超音速飞行采用的大后掠角机翼也使得战机的重心不断后移。

早期螺旋桨飞机

重心的后移使得平尾的力臂也不断减小,俯仰控制也就很难奏效,为了飞机的平衡就需要增大平尾的面积(F-22的大平尾),但这就使得飞机的重心进一步后移,进入了恶性循环。而鸭式布局的应用则解决了战机重心后移的问题,前置鸭翼位于飞机的重心之前,很容易得到一个较长的力臂,从解决了喷气式战机重心后移带来的影响。

F-22战机气动布局以及大平尾

3.提升大迎角升阻比

采用鸭式布局的飞机将导致较为复杂的耦合气动流场,包括上洗(外翼段)、下洗(内翼段)效应,涡流之间以及涡流和翼面之间的相互作用等复杂的流场结构,而其中鸭翼产生的上洗、下洗气流对机翼前缘的涡流溃散起到了延迟的作用,可以延缓飞机的失速迎角(可达30°以上,而普通常规气动布局飞机的失速迎角只有十几度),从而在一定程度上提升飞机在大迎角飞行时的升阻比。

歼-20飞行中的涡流

4.提升飞机机动性

另外,采用鸭式布局设计还可以提升飞机的机动性和敏捷性,因为鸭翼布局的升力系数与操控效率较高,具有天生不稳定的特征,静不稳定的特性和为飞机带来机动性方面的改善,特别是在飞机进行大迎角机动飞行时,此时鸭式布局的优点相比于常规布局等的优势就会凸显出来。而且飞机主翼上的襟副翼差动时,还可以提升鸭式布局飞机的滚转机动性,所以采用鸭式布局的战机更适合空战缠斗。

三、鸭式布局有什么缺点?

1.鸭式布局飞机设计难度较大

由于鸭翼产生的涡流对主机翼有着很多的相互影响,这些影响可以是好的也可以是坏的,而且不同距离、不同大小、不同高度、不同形状甚至不同材料的前置鸭翼对主机翼的影响都是不同的,一点小小的改动对飞机总体气动就会产生较大的影响,所以,想要设计出适合的鸭翼这就需要大量的实验和改动,这就在为鸭翼飞机的设计时,增加了不小的难度。

鸭翼对主机翼的影响

2.鸭式布局飞机操作难度较高

由于鸭翼产生的涡流会对主机翼产生上洗(外翼段)、下洗(内翼段)效应,下洗时会降低内侧主机翼的有效迎角,从而会减少升力的产生;而上洗涡流却会使得主机翼外侧迎角增加,使得上洗气流提前分离。而且鸭翼飞机在不同的飞行姿态中,鸭翼的脱体涡流在主翼面上的生成、发展、破裂和漂移对飞机的升力和纵横向的力矩特性影响较大,使得纵向力矩曲线出现极严重的非线性化变化;这样一来二去就使得飞机操作难度大幅度增加,而单靠飞行员很难进行操作。

采用鸭翼的“台风”战机

所以,在早期的设计的鸭式布局的飞机都是不可动的,那时候的鸭翼对飞机仅仅起到涡流发生器的作用,而不能控制飞机的俯仰。而想要发挥出鸭翼的特性就需要依赖先进的飞控系统和电传操纵系统完成操控,这也是为何全球采用鸭式布局的战机在近些年才有所增加到原因,可以说,鸭式布局的飞机考验的是飞控系统。

3.鸭翼会影响飞机的隐身性

其实,鸭翼对飞机隐身性的影响与采用平尾设计的飞机是相差不大的,两者都是在平飞时对飞机的隐身效果没有太大的影响,只有在转动或者大迎角飞行时才会增加飞机的RCS(雷达反射截面)值,所以直接说鸭翼会影响飞机的隐身性是不对的,只是相比较无尾式飞机或者飞翼布局飞机的在隐身性方面略逊一筹而已。

歼-20的全动鸭翼

四、结语

另外,近、远距鸭式布局的飞机也有着不同的特性,采用远距鸭式布局的飞机,鸭翼阻力和重量较小适合高速飞机,但缺点是鸭翼远离主机翼难以形成涡流升力;而近距鸭式布局的飞机鸭翼对主机翼能够产生明显的涡升力,可以提升飞机的机动性,但缺点是对飞机重心的力臂较短,配平和俯仰控制的作用会降低。

总体来说,鸭式布局并不是只有优点,同时也存在着缺点,只有发挥出鸭翼应有的优点,尽量弥补鸭翼带来的缺点才是一款设计良好的鸭式布局飞机。而随着飞机飞控系统和电传操纵系统技术的不断完善,或许未来采用鸭翼布局的战机会越来越多。


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