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鸭翼布局缘何深受现代战斗机的青睐?

2019-03-14 10:34 来源:科普中国-军事科技前沿 

  【现代军用飞机的“新设计”】

  编者按:

  纵观历史,战争是人类科技进步的重要推动力,这一点在航空工业的发展上体现尤为明显。从两次世界大战至今,各国迫于军事的压力,不断对军用飞机提出更高的要求。在高速迭代中,产生了许多“新设计”。即日起,《科普中国-军事科技前沿》推出系列作品,立足当下,展望未来,和大家一起聊聊未来军用飞机可能出现的“新设计”,欢迎关注。

  出品:科普中国

  作者:李小白(中国航空学会会员)

  策划:毕孝斌

  监制:光明网科普事业部

  传统的常规布局飞机由主翼、水平尾翼、垂直尾翼控制完成一系列飞行姿态,其中水平尾翼位于主翼的后方,用于提供飞机的水平稳定,并控制飞机的仰俯动作。然而,世界上首架飞机——莱特兄弟发明的“飞行者”号飞机则采用了仰俯控制面前置的布局,这种气动布局被叫做鸭翼布局,位于主翼前的仰俯控制面被称为鸭翼。尤其是在电传操控系统出现后,鸭翼布局开始在越来越多的新型战斗机上普及使用,成为现代战斗机最青睐的气动布局之一。

歼-20是当今世界最先进的鸭翼布局式战斗机

  高于常规布局的气动效率

  常规布局飞机通过负升力配平飞机,控制飞机的仰俯。例如在飞机进行上仰爬升时,常规布局飞机的水平尾翼产生负升力,将机头“压”起来,使飞机“抬头”。在这个过程,水平尾翼的负升力会引起飞机总升力的损失。相比之下,鸭翼产生的是正升力,可以增加飞机的总升力。因此,比起常规布局飞机,鸭翼布局飞机鸭翼和主翼的翼面积可以设计的稍小一些。飞机进行仰俯机动时,鸭翼仅需改变调整升力的大小便可形成仰俯力矩。同时,鸭翼位于飞机重心之前,一般情况下,鸭翼的力臂比水平尾翼的力臂更长,在配平飞机时产生的阻力也会更小。通过对比可以发现,鸭翼布局的升阻比更大,对飞机的操控效率也更高。

常规布局与鸭翼布局的升力原理

  尽管鸭翼布局的优势十分明显,但鸭翼布局也有着天生不稳定性的特点,难以操作控制。现代战斗机具有强大的机动性与敏捷性,在飞行中会不断进行飞行姿态的变换,在飞行姿态变换过程中,鸭翼会对主翼气流环境产生持续不断的干扰,且这种干扰会随着飞行姿态的变换而变化,严重扰乱主翼的升力,甚至影响飞机的稳定性。而常规布局战机的尾翼却不会干扰主翼的气流环境,因此,长久以来,人们还是以常规布局作为飞机最主要的气动布局。

  天生不稳定带来的设计难度

  为了降低鸭翼对主翼的干扰,设计师通常会减小鸭翼的翼面积、调整鸭翼的位置,矛盾的是,这样的设计变通又无法避免鸭翼操控效率的降低。既然局部设计的可挖掘潜力有限,就只能从飞机的整体系统设计入手,以飞机整体飞行品质的提升来弥补鸭翼与主翼的不协调。

美国、苏联对鸭翼布局飞机均有过深入研究,图为前苏联米格-1.44技术验证机

  首先,鸭翼与主翼的相对位置、鸭翼的翼面积、机翼的翼型等方面的设计必须慎之又慎。设计需要大量气动试验得出飞机在不同飞行状态下的飞行数据,根据设计取向优化调整飞机气动布局的细节。巧妙利用涡流增升,获得最合适的飞行品质。再者,使用灵敏的电传操控系统。主翼、垂尾、鸭翼的协调搭配使用能够发挥出飞机气动布局的最大效益,但鸭翼布局具有天生不稳定的特性,在不同仰角、不同空速下操控鸭翼布局飞机已经超出了人类的能力范围。直到电传操控系统的引入才逐渐解决这一问题,电传操控系统可以根据传感器传来的飞行数据操控飞机,持续调整操控飞机的舵面,使飞机达到动态稳定。

  被越来越多战斗机使用

  不论是精密的气动布局设计,还是电传操控系统的使用,都需要深厚的飞机研发实力,遍及气动理论、材料工艺、航空电子等各个方面。莱特兄弟发明飞机已经过去一百过年,但鸭翼布局飞机开始逐渐实用普及却在近几十年。早期的鸭翼布局飞机并没有完全发挥出鸭翼布局的优势,例如瑞典的萨伯-37“雷”式战斗机,萨伯-37的鸭翼是固定不可动的,但装有一对副翼,这种固定的鸭翼增加了飞机总升力,延缓了大迎角机动下的气流分离。

萨伯-37战斗机

  鸭翼布局的进一步普及是在第三代战斗机,此时的鸭翼不再是固定式,而是作为飞机的控制面之一,与主翼连接在同一控制系统下,增强战机的机动性与敏捷性。其中较具代表性的有“欧洲三雄”战斗机(法国“阵风”、欧洲“台风”、瑞典JSA-39)与中国的歼-10战斗机,这些战机都采用鸭翼布局,但根据对高速、翻滚、盘旋以及低可探测等性能的追求不同,这些飞机的鸭翼布局细节设计其实也是不同的。

相比萨伯-37,JSA-39的鸭翼可以全动

  鸭翼布局的灵活与高效完美迎合了战斗机的性能追求,这也注定越来越多的战斗机会采用鸭翼布局设计。目前,世界最先进的鸭翼布局战斗机是中国的歼-20隐身战斗机,也是目前唯一一款采用鸭翼布局的第五代战斗机。在一些有关未来第六代战斗机的概念图中,也可以见到鸭翼布局的设计,那将是鸭翼布局气动技术的又一次提升。

  划重点:

  1、常规布局飞机依靠水平尾翼产生的负升力控制飞机仰俯,鸭翼布局飞机则依靠鸭翼产生的正升力控制仰俯。

  2、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,有助于提升飞机的机动性与敏捷性。

  3、鸭翼对主翼气流环境干扰较大,所以鸭翼布局的设计十分复杂,这也是鸭翼布局在近几十年才逐渐普及的重要原因。鸭翼布局需要精密的气动设计,也要使用电传操控系统控制飞机。

  4、使用鸭翼布局的现代战斗机越来越多,鸭翼布局技术也会随着战机的更新换代而提升。

[责任编辑:赵清建]

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