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为什么美军不用鸭翼! 鸭翼到底有什么用! 详解气动布局优

发布时间:2022-09-13 20:45:09 来源:新利18全站官网 作者:新利18全站官网在线

  鸭翼是飞机的一种气动布局方式,在目前各国先进主力战机当中,基本上都能看到鸭翼的存在。而美国作为在全球空军实力第一的国家,空军列装的战机却几乎看不到鸭翼,甚至落洛马公司的一位高管还说过这样的话,鸭翼最好安装在敌人的飞机上。因此有关有翼式气动布局的争论从来都没有停止过。今天就来聊聊为什么美军这么不喜欢鸭翼。

  战斗机经过百年的发展,为了应对不同的任务,需求和机动特性,在选择气动布局时也是各有不同,也就衍生出了多种不同特性的气动布局。不同的气动布局也有着不同的优缺点,对战机也有着不同的影响。

  第一,常规布局,也就是水平尾翼布局,提供升力的大主翼在前,控制飞机纵向爬升和下降的小尾翼在后。

  第二,无尾翼三角形布局,这种布局法国人最喜欢,达索公司的战斗机大多采用无尾三角形布局,这种布局的特点就是只有三角翼作为主翼,利用主翼后面的襟翼来控制战斗机纵向的爬升和下降,这种布局除了达索的战斗机之外,航天飞机和一些巡航导弹身上也能见到。

  第三,三翼面布局,三翼面布局其实非常好理解,就是在常规布局的前提下,再在主翼前面加上一对小机翼。

  第四,鸭式气动布局,也叫做鸭翼气动布局,或者叫它鸭翼+ 三角翼气动布局,控制纵向爬升和下降的小翼在前,提供升力的主翼在后,与常规布局相比正好相反。不过鸭翼也分为两种,一种是可以活动的,例如狮式战机的鸭翼具备偏转能力就是可以活动的,可以用于控制飞机飞行姿态。另外的一种则是不可活动的,安装在机头位置。这种鸭翼的作用和边条翼一样,只能够拉出涡流,不能够控制战斗机飞行姿态,飞行姿态的控制还得靠主翼后部襟翼活动,所以这种固定的鸭翼没啥意义,目前主流的鸭翼布局大多是可以活动的真鸭翼。

  上世纪初,莱特兄弟发明的第一架飞机,飞行者一号就是将操纵面放在了主机翼之前。从在的气动布局分类来说,飞行者一号布局方式就是鸭式布局,鸭翼布局简单来说,就是将常规布局飞机上的水平尾翼移动到主机翼的前面两侧。由于这种布局方式的飞机在外形上像一只鸭子,由此得名鸭式布局,飞机前面的两个翼面也被称为鸭翼,一般展弦面比较小的三角形机翼就是鸭翼。

  虽然莱特兄弟的第一架飞机采用了鸭式布局,但那时候人们在空气动力学上还没有系统性的研究,后来经过测试发现,使用鸭翼的飞机非常容易失速,将其作为主要操作面也不容易控制,对战机来说没有任何提升。在稳定性和操纵性被人重视之后,无为三角翼布局就成了一个合适的选择,并且当时是各国追求战机高速性能的时代,因此无尾三角翼也就成了主流布局。在结构上,三角翼拥有着极长的翼弦,通过简单的结构就将力量均匀的分布在机身,也使机翼厚度由尖锐的前缘经较长距离过渡至较厚的翼根,不仅降低了飞行阻力,也加强了机翼结构强度,同时战机还获得了充足的机翼油箱空间,对战机的续航能力有了很大的提升。

  整体来说,无尾三角翼布局在发动机推力不足,又想要追求高速性能的时代有很大的价值,并且无水平尾翼的设计也省去了驱动水平尾翼装置,减少了战机的表面阻力,提高了瞬时转弯速率。不过无尾三角翼却存在一个先天的缺陷,由于三角机翼展弦比低,战机在高速飞行驶容易受到外来气流干扰影响飞行状态,并且在格斗时动能率减快,不利于近战。副翼位置也靠近垂直尾翼,工作室会造成两侧翼面压力不同,容易造成偏航等问题。所以在上世纪六零代以后,战斗机无尾三角翼的热度也降了下来,直到飞控系统出现,战斗机进入喷气时代后,各国的研发人员才发现,鸭式布局要比三角易更适合超音速战机,因此鸭式布局又重新的进入人们的视野。

  第一增加总体升力,在常规气动布局中,飞机的重心大部分都处于机翼之前。为了稳定飞机的飞行状态,就需要在机翼产生正生升力的同时,通过水平尾翼产生向下的升力将机头压下去。此时飞机的状态是损失了机翼的升力的,有了鸭翼的飞机就不一样了。鸭式布局的重心位于机翼和鸭翼之间,此时的前置鸭翼与主机翼一样都可以为飞机提供正升力,增加了飞机的总体升力。除此之外,安装位置较高或者飞机在行进大仰角飞行时,前置鸭翼会产生窝流,窝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,使得主机在原有的基础上形成了升力增量,就跟汽车的涡轮增压差不多,进一步提升了飞机的总体升力。所以采用鸭式布局的飞机升力会有明显的提升,不仅节省了发动机的推力,在相同发动机推力的情况下,采用鸭式布局的飞机也会有着更大的起飞重量。

  第二,解决了飞机重心后移带来的影响,提升了战斗机的灵活性。早期螺旋桨飞机的发动机和螺旋桨都位于飞机的前面,因此,飞机的重心都比较靠前,后来的常规气动布局通过采用后置水平尾翼得到了改善。另外,水平尾翼位于主机翼的涡流中,对飞机整体的平衡能力和操纵性也有一定的提升。而在战斗机进入喷气时代之后,大量的窝扇窝喷发动机被设计在了飞机的后部,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。这带来了什么后果呢?后移的重心让水平尾翼失去了作用,而为了维持飞机的稳定,就不得不增大平尾面积,但这使得飞机的重心进一步的后移从而进入了恶性循环。那怎么办呢?于是研发人员就想到了鸭翼,并将其设计在了大平尾的前面。前置鸭翼位于飞机的重心之前,很容易得到一个较长的杠杆力臂,所以很顺利地解决了喷气战机重心后移带来的影响。鸭翼装在机头,离发动机很远,力矩也会大一点,控制飞机也更加轻松,装有鸭翼的战斗机就拥有了更为出色的机动性,特别是在飞机进行大仰角机动飞行时,鸭式布局的优点相比于常规布局等优势就会凸显出来。而且飞机主翼上的襟翼副偏转时,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斗机更适合空战缠斗。

  美军曾在1964年公开展示了xb-70a女武神轰炸机,这款轰炸机就采用了上面提到的前置鸭翼布局。在当时制造出了以三马赫速度在21000米连续飞行30分钟的世界纪录,它之所以能够创造出这么傲人的成绩,与采用鸭翼布局的高速稳定性大幅增强有着很大程度的关系。自从这款飞机下马后,美国的战机似乎和鸭翼绝缘了,无论是战斗机轰炸机几乎无一例外,都采用了常规布局和飞翼布局。

  首先鸭翼虽好,但想要合理利用确实是一件不太容易的事,在当时鸭翼布局飞机设计难度相当大,因为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,而且不同距离大小高度形状,甚至不同的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,对飞机的总体气动就产生了较大的影响,所以想要设计出适合的鸭翼就需要大量的实验改动,这为鸭翼飞机设计增加了不小的难度。

  其次是鸭翼式布局飞机操作难度高,由于鸭翼产生的涡流会对主机翼外翼段内翼段产生上洗,下洗效应,降低内侧主机翼的有效影响,从而会减少升力的产生。鸭翼飞机在不同飞行姿态中,鸭翼托体窝流在主翼面上的生成发展破裂和飘移对飞机的升力影响较大,使得纵向力距曲线出现极严重的非线性化变化。这样一来二去就使得操作难度大幅增加,单靠飞行员很难进行操作。再加上80年代之前,大部分飞机采用的还是老式机械传统的人工操作模式,即使配置了鸭翼也不可能有效利用。比如上面提到的女武神实验机在当年跨越超音速时,鸭翼起到了很好的稳定作用,但在三马赫以后,由于飞机升力中心后移,前置鸭翼又难以进行相应的舵面调整,因此发生了抖动,增加了飞机失去稳定的危险性。所以早期鸭翼飞机,鸭翼基本都是不可动的,对飞机仅仅起到窝流发生器的作用,不能够控制飞机的俯仰,想要发挥鸭翼的特性,就需要依赖先进的飞控系统和电传操纵系统完成操控。时电传操控系统成熟比较晚。

  以美国为例,直到1969年阿波罗11号登月成功,电传操作才被美国真正运用在飞行器上。早期的1f5基本还采用机械操纵,早期的f16则是半机械化的模拟式电传操作。由于这两款美军主力战机的研制都是在六七十年代,电传操纵并不成熟,也就很难会去采用操作复杂的鸭翼布局。全球采用鸭翼布局的战斗机,基本上都是80年代以后研制的新式战机。例如最早采用鸭翼的瑞典英狮战斗机,也是80年代开始研制,在1993年才投入服役。其他诸如台风,阵风等战斗机,则都是21世纪以后服役的四代机,所以美军主流战斗机没有采用鸭翼和当时电船操纵系统的不成熟有很大关系。

  那么,美军的五代机f22和f35又为什么不用鸭翼布局?你们可能会说,五代机最大的优势就是隐身,采用鸭翼布局,会增加机体正面的雷达反射截面积,降低隐身的能力。事实是,鸭翼对飞机隐身性能的影响,与采用平尾设计的飞机是相差不大,平飞时对飞机的隐身效果没有太大的影响,只有在转动或者大仰角飞行时才会增加飞机的rcs雷达反射截面,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,飞机在隐身方面略逊一筹而已。

  至于为什么美军五代机不采用鸭翼,一是因为现如今美军的战机大部分都是在鸭翼技术成熟之前就设计定型的,要去改装,太麻烦,也太费好钱,早期也测试过,觉得太危险也就没用,所以也才有了开头那句话。第二,鸭翼设计的最大作用是提高飞机的升力,美军战机本身拥有强大的动机,俗话说,力大飞砖,所以在美军看来鸭翼根本就没有必要。第三也是实际使用问题,鸭翼最大优势就是提升战机升力和一部分近距离格斗能力,但如今空战美军基本上都是在打超视距空战,认为鸭翼设计用处不大。

  总的来说,以目前战机的发展,鸭翼的存在还是有一定优点的。随着飞控系统和电传操纵系统技术越来越先进,矢量推进发动机推力也越来越大,未来大推力发动机与鸭翼的结合战机将有更加优秀的超音速巡航与低速瞬间转弯能力。这一趋势在波音公司为美军提供的六代机方案中,一定程度上得到体现。从外形上就能明显地看到有鸭翼出现,美军的下一代战机应该具有超级飞行能力。简单来说,就是出色的超音速,低速巡航机动性能,而想要实现这个能力,除了依靠性能强大的变循环发动机,鸭翼气动布局也是必要的,不然就会出现f35战斗机发动机已经超过20吨,也无法长时间的持续超音速巡航机动。虽说f35本身的定位本身就是多用途联合战机,短程超音速巡航就能满足作战需求,但他还是可以作为一个例子来说一说的好了。