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曾被美国人嫌弃的鸭翼,为什么进入新世纪卷土重来了?

飞机的发明是人类为了克服升力和动力的矛盾,莱特兄弟的飞行者号是人类第一种动力飞机,由于飞行时水平舵远远的延伸在前,像奔跑起飞的野鸭,从此以后水平舵在机翼以前的飞机就被叫做鸭式。


鸭式飞机在航空历史上最早出现,反而是难度最大的设计布局,风险大当然收益也大


第一架飞机主要解决了升力大于重力的问题,而后人们发现,升力获得并不困难,而让飞机飞的好的关键在于稳定性,鸭式布局的飞机天生不易稳定,而把水平舵放到后面的布局则是天生稳定,所以机翼在前,水平舵在后就成了飞机最普遍的面貌,用得多,就是主流,就是常规。


飞机的进步依赖于空气动力学的发展,空气动力学的粘滞流动理论让大家能分析飞机如何飞起来,如何获得升力,而超音速气动力学则让飞机突破了音速,造就了漩涡空气动力学则诞生了第三代战斗机。


三代机普遍使用边条增升加电传飞控,最杰出的代表是F16战斗机


鸭式飞机的复辟实际上是漩涡空气动力学的一个分支,1966年,瑞典科学家发现鸭式布局的近距耦合现象,即当前翼和机翼接近到一定距离后,两者产生相互间稳定和有利的干扰,形成强而有力的附着涡流,产生巨大的升力增益。这种涡升力的现象和当时发现和兴起的边条翼成为漩涡空气动力学研究的两大主要分支。


我们知道空气是粘性的,当机翼向前运动时,必须先推动空气,一部分空气被挤压分开从机翼的上下表面流过,另一部分被挤着向前推动,这部分向前推动的空气会反向绕过前翼,这种现象叫做上洗,上洗会增加前翼的真实迎角,让前翼容易出现上翼面卷积涡和翼后缘脱体涡,前翼产生的涡,和流经前翼速度有所降低的下洗流冲洗机翼上表面,能够增加机翼的升力,同时延迟机翼卷积涡破裂和脱离附着的迎角。


鸭式布局飞机的优势来源于前翼产生的涡流对机翼的有利干扰


鸭式布局能够改善飞机的升力斜率,能够提高飞机的升力和升阻比,能够让飞机获得更大的可用迎角范围,还能让飞机拥有大迎角性能。因此它是一种很有魅力很有潜力的发展方向,瑞典70年代推出JA37,局限于当时飞行控制系统的水平,只能设计成固定前翼,但是其前翼后有活动翼面,JA37在二代机中拥有很罕见的低速飞行能力和超强的短距起降能力,机动性也颇为出色。而法国在改进幻影3,50战斗机时,也开始应用类似的固定小前翼,添加一个很小的前翼就能让飞机获得很大的升力,一对小小的固定小翼可以提高幻影3的盘旋性能15%以上,起降性能提高了20%。


JA-37这是一种生产数量少的小众飞机,但是在航空史上极其重要,开启了一扇新的大门


幻影3飞机,小小的固定前翼就产生了魔幻的效果,达索在此技术上开发了阵风战斗机


三代机时代,边条翼充分显现了威力,尖细狭长的边条配合中等后掠角的切尖三角翼,极大的拓展了机翼的升力迎角范围,同时还提供了小阻力的优点,不仅保留了二代机的高速飞行基础,还大大提高了机动性。


近距耦合鸭式布局研究比边条翼要晚,近距耦合鸭式布局研究不同的国家走了不同的路线,瑞典研究最多,最早,有工程型号积累,所以研究的是中等后掠角三角翼与较大面积鸭翼的配合,尽量利用近藕现象,最大程度追求亚音速机动性;德国和美国联合研究,美国倾向于研究利用鸭式布局大迎角的超强适应性和自然恢复力,德国倾向于高速能力,他们选择大后掠角的三角翼和较小的前翼方向;英国既想获得高速拦截能力又想拥有好的亚音速颤抖能力,所以选择了双三角翼加小的前翼的方向;以色列是拿来主义,他们基本上是依赖格鲁曼的研究为主,他们选择基于美国HIMAT的布局,前翼和机翼都选择50度左右的后掠翼;法国有幻影3,幻影4000的经验,他们基于幻影系列无尾三角翼,增加小翼面的前翼,稳步进行性能增强;中国则介于法国和瑞典之间,中国的研究也是基于大后掠角的无尾三角翼,选择较大的翼面的前翼,尽量优化亚音速机动性。



台风战斗机,这是一种比较纯粹的德国飞机,特别突出高速拦截性能


左边是英国人最初想要的飞机亚音速机动性好,右边是最终得到的德国货,想省钱就得跪下放弃尊严


这几家的技术基础和硬件基础有比较大差别,其中瑞典,以色列,中国是发动机推力和推重比都比较低,因此他们设计目标是当时主流三代机的亚音速机动性,而英国,德国,法国则有更好的发动机选择,他们瞄准更高的目标,既有良好的亚音速机动性,又同时兼有良好的超音速作战能力。


从最后的研制结果而言,水平最高的是法国的阵风,水平最低的是以色列的狮。阵风充分展现了鸭式布局如何获得一种紧凑小巧的高超的设计技巧,同级别比较它和F/A-18C发动机推力相似,飞机重量相似,但最终的性能,无论是加速性,盘旋性能,剩余推力,超音速飞性能力,载荷能力,航程能力,都是完全碾压式的超越。阵风充分展现了鸭式布局的优势和发展潜力。


精雕细琢出精品,这是达索公司几十年如一日的追求,到了阵风战斗机,达到了一个顶峰


F-18家族ABCDEF,空有一副好发动机顶级设备,还是被阵风碾压


而以色列的狮则是展现了设计不佳的飞机的下场,并不是因为它中途下马就说它差,狮没有真的掌握鸭式布局的气动设计,所以设计上犯了几个比较明显的错误,比如为了希望获得更强的近藕效应,它选择了让鸭翼与机翼部分重叠,这确实换取了很强的增升效果,但是却带来了更大的阻力;再比如它希望飞机有较好巡航飞行能力选择了展弦比稍大的后掠翼,但是后掠翼的襟翼靠近重心很近,作为操纵舵面力矩性能不好,反过来飞行控制就更依赖前翼,和其他鸭式布局飞机所以飞行控制和机动性都比较差,以色列也正是发现该项目出现重大问题,需要远比预期多很多倍的经费才能解决问题,根本没有负担的可能,所以只能放弃。


以色列飞机国家小财力差,设计飞机经验少,lavi飞机参数选择失误,一切难题都寄希望于美国人


lavi气动设计走的是一条比较先进的路子,飞控和结构都是,最终经验不足烂尾


中国的歼10设计水平和瑞典JAS39相当,这两种飞机一种是两侧进气,一种是腹部进气,两侧进气阻力较小,但是飞机侧滑时发动机工作状态会受到比较大影响,而腹部进气则阻力较大,影响超音速性能。


JAS39鹰狮设计比较好,发动机推力比较小的情况下,用固定进气道能飞两倍音速


两者都是用了较大的前翼,既作为俯仰舵面又作为近距耦合现象的提供者,鸭式布局和边条翼常规布局相比,前翼能在机动时提供大约前翼8倍的升力增量,而边条翼则最多能提供整个机翼一倍的升力,因此,前翼面积达到机翼的12.5%以上就能获得比边条翼更大的收益,实际上鸭式飞机在飞机机动飞行需要的最大的角度4-15度这段范围时,前翼上偏,前翼本身产生的升力和上偏提前产生脱体涡,就能让机翼升力产生更大的增幅,所以8%机翼面积的前翼就能达到边条翼相似的效果。


从气动来看,鸭式布局比边条布局效益更好,涡流起作用范围更广,但是难度更大


但是鸭式布局对机翼设计的优化点和边条翼不同,边条翼在配合后掠角在40度左右的三角翼表现出最佳性能,而鸭式布局则需要机翼有更大的后掠角,它的最优后掠角在45-50度之间。JAS39选择机动性较好的45度,歼10选择阻力较小的50度,两者都因为发动机推力不足各自选择了最佳点,相对而言歼10推力比JAS39推力要富裕一些,性能要有优势一点。


由于俄罗斯AL31发动机的大推力,歼10战斗机比类似的布局的JAS39飞机性能有一定的优势


鉴于时代的原因,这一批飞机对鸭式布局的研究和利用还在比较初级的阶段,要进一步发挥这个布局的优势,需要结合边条展开,鸭式布局对边条翼的效果实际上一样有效,因此新一代鸭式布局都展开结合边条的研究,比如边条在前翼前,或者边条在前翼后,比如中国新一代的J20战斗机,就是选择了边条在前翼后的设计,这个设计可以结合边条对机翼增升减阻的优势,同时还能发挥鸭式布局的增升和控制的效能,强中加强。


歼20战斗机融合了鸭翼和边条,即使使用落后发动机,飞行性能也比三代机有了巨大提高


以台风战斗机为例,它的鸭式布局近距耦合现象利用较低,飞机阻力小但机动性略差,在机翼根部和前翼之间增加一段大边条,就提高了低速下30%的盘旋能力,在机动性上弥补对阵风的差距。所以,随着对鸭式布局的研究深入,这种气动布局已经象常规布局那样大放光彩。


台风战斗机最初设计就追求超音速性能,亚音速机动性差,后来加了一个很小的边条,改善机动性




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