一直以来,美国人都十分蔑视带有鸭翼的战斗机,美军所有战斗机都是常规布局,没有一架鸭翼布局的飞机,只有F-14A雄猫舰载机布置在翼套里,有一对可伸缩但不能偏转的小翼。而且美军有一句著名的话:“鸭翼,更好安装在敌人的飞机上”。那么,美国为什么不喜欢在战斗机上安装鸭翼?
首先需要了解什么是鸭翼布局,简单来说便是采用了鸭翼,或者说是鸭式布局的飞机。鸭式布局通常指将水平尾翼放置在主翼之前机头两侧的飞机布局,而放在主翼之前的这对水平尾翼就被称作是鸭翼。这对翼面所能够起到的作用,是确保飞机不易失速,可控飞行迎角比较大,简化飞机驾驶流程,保证飞行安全。以中国的歼-10战机为例,受发动机性能限制,歼-10战机的推重比并不高,但是它的大仰角起飞距离只有250-300米,鸭翼布局设计显然是功不可没。
同时,鸭翼布局还有一个优点就是可以产生涡流,可以在战机主翼上表面制造出涡流,在主翼上表面形成一个低压区,由此可以提升主翼升力,因此采用鸭式布局的飞机升阻比较大,升力系数表现好,飞机爬升时鸭翼还可以提供抬头力矩平衡低头力矩,提高了战机的飞行性能,这就是所谓的鸭式布局耦合现象。
但是鸭翼的缺点也非常明显:上文曾提到鸭翼会产生特殊的涡流,正是这个涡流影响了鸭式布局的稳定性。鸭式布局的飞机,鸭翼、机翼和尾翼之间会存在极为复杂的干扰气流,因此必须要经过大量的实验和计算,才能够得出一个相对来说较为出色的机身设计。即便得出了能够确保机翼之间的完美数据,鸭式飞机也存在着飞控系统复杂、着陆性能较差等问题。换句话说,鸭式布局是一种好坏分明的飞机设计。
美国人认为鸭翼布局属于一种“投机取巧”的设计,是在发动机性能不足的情况下不得不采用的“捷径”,自然会存在“有得必有失”的情况。而美国作为世界上航空科学技术最为发达的国家,对于鸭式布局的研究要比全世界大部分国家都要深。早在1984年,美国麦道公司就曾以F-15战机为模板改进出了一款带鸭翼的战机NF-15B“敏捷鹰”。美国人通过这款战机成功验证了鸭式布局的优点所在,NF-15B有着惊人的32吨起飞重量,4500公里的超大航程,以及更短的滑跑距离。可以说,这种鸭式布局,一度让美军感到心动。
因此,美国人并非看不上鸭翼,相反还曾在鸭翼布局上尝到过甜头。当然,美国人至今没有列装一款鸭翼布局的飞机,这在某些层面影响了人们对于美国人看待鸭式布局的看法,误认为美军看不上鸭式布局也是很正常的。但是接下来的一个问题其实更为关键:为何美军没有列装鸭式布局的飞机。
原因也很简单,那就是美国人在航空发动机领域领先全世界。俗话说,力大砖头飞。美国拥有性能先进、推力强大的航空发动机,搭配常规布局即可实现所有设计性能指标,自然没有必要浪费这种力气去选择更加复杂的鸭翼布局设计。
由于有着极为强劲澎湃的航空发动机,美军战机的起飞重量能够得到更低限度的保证,无需依靠鸭式布局来弥补飞机性能的不足。而这和中国的歼-20刚好形成了对比。有说法认为,歼-20的种种优秀的气动设计,实际上都是为了弥补发动机推力的不足。中国航空发动机的落后令中国战机的研发也受到了相当程度的局限。
另外,还有一种并不是很靠谱的猜测,也能从某种程度上说明美军为何不愿意采取鸭式布局:由于俄罗斯、瑞典、法国、以色列和中国的一些战斗机,例如欧洲的JAS-39“鹰狮”、“阵风”、“台风”战机、俄罗斯的苏-30 *** ,中国的歼-10、歼-20均采用了鸭翼布局。都采用了鸭式布局,美军不愿意起用类似布局的飞机,以给外界“美军抄袭模仿其他国家”的把柄。换句话说,美国人是为了面子,而不愿意采取这种付出和收益成正比的优秀气动布局,特别是在航发有着极大优势的情况下,是否采取鸭式布局对于美军的战斗力影响并不大,而政治正确在此时就能够起到决定性的影响。
众所周知,以成飞“歼-10、歼-20”为代表的,中国自主研发三、四代机服役以来,已成为中国空军的主力担当,两款战斗机都采用鸭翼布局。而实际上,中国鸭式布局研发很早,在科研史上还有这么一款被遗忘的鸭翼布局战斗机,它就是“751任务战斗机”或“751抬式布局战斗机”。
科研历程
上世纪60年代,中苏两国意识形态争议,发生多起边境冲突,苏联强硬派主张对中国实施“外科手术式核打击”。面对苏联的军事压力,中国空军将不需要或不完全依赖跑道的“垂直/短距”起降战斗机,做为研发重点。
中国的航空工业基础来源于苏联的援助,无论是摆脱苏式风格、向西方学习更先进的技术,或者研发新机型应对苏联军事压力,都有着迫切的现实要求。放眼世界,瑞典国小人少,因冷战期间特殊的地理位置,面临着和中国类似的问题。
所以,20世纪60年代,瑞典“Saab-37”雷式战斗机问世之初,我国就对其独特的鸭翼布局产生浓厚兴趣。对于鸭翼布局简要表达,可以看作是重心前后的两个翼面(前、主翼)抬着重心(飞机)进行飞行。
萨博-37,大载量
萨博-37 编队飞行
萨博-37 架构透视图
萨博-37 三视图
PS: 起降滑跑距离不超500米,载弹量大,大部分是鸭式布局的功劳,可以隐藏在丛林中的高速公路起降、维护。
60年代末,我国开始以吹气增升方式来增加前翼的配平能力,称之为“抬式布局”,1969年,提出“701延安号”抬式运输机方案,借助前翼安装的螺旋桨滑流来增强前翼配平能力,滑流在起降时吹向主翼造成地面效应,平飞时提供附加升力。
“701延安号”抬式运输机方案
1971年XX事件发生,在空军整顿中“701延安号”研发中断搁置。
1975年,在中国航空研发人员向上级反映要求恢复科研工作情况下,三机部发出768号文件,明确“抬式布局”研究作为国家重点项目,并确定为“751任务”。
1976年,提出“751抬式布局”方案,“FM-8/9”验证模型。
“751”战斗机模型正面照片
“751”战斗机模型侧面照片
“751”战斗机模型
“751”战斗机模型
“ZM-01”抬式战斗机飞行无线电试验模型。
“ZM-01”抬式战斗机模型
“ZM-01”抬式战斗机模型
“ZM-01”抬式战斗机模型
“ZM-01”抬式战斗机模型
“ZM-02”抬式战斗机飞行无线电试验模型。
“ZM-01”抬式战斗机飞行试验模型
1976年后,因研发进度缓慢,再加上经费受限,该项目再次搁浅。
90年代初期,西北工业大学校研成果展,再次出现“FM-3”方案模型,和“歼-7E”同框。
“FM-3”方案模型和“歼-7E”同框
2004年珠海航展出现的一款“LFC-16”战斗机,则是该方案的延伸,据说可能是全球机动性之一。
“LFC-16”战斗机
“LFC-16”战斗机
“LFC-16”战斗机
“LFC-16”战斗机
虽然“751方案”无果而终,但中国对于鸭翼布局的研究从未停止,从成飞的“歼-9”到终于一飞冲天的“歼-10、歼-20”,至此,我国独特的鸭式布局战机将继续开花结果。
“751任务”效果图
751任务“抬式布局”战斗机
751任务“抬式布局”战斗机
751任务“抬式布局”战斗机
成飞精品
“歼-9”战斗机
“歼-10”战斗机
“歼-20”战斗机
这是在讨论鸭翼的文章中,有粉丝提出的一个概念,他说正因为有了鸭翼咱们的歼-20才能超音速巡航、在超音速下具有极高的机动性。
这话不准确,或者可以说是典型的误解了。那么,今天说下超音速飞行。
现代超音速战斗机本身面临的是一个取舍问题,例如早期的F-104战机,为了达到音速2.2倍的速度,这架飞机被设计成只有极小的展弦比,被誉为飞行的火箭。
这件事本身就告诉了大家一个相当有意思的常识——火箭形是目前飞行器获得高速的更好外形。
问题来了,为什么大家不把飞机做成火箭造型呢?这件事也不能说没有,例如X-15验证机,从外观和实质上看这就是一枚载人火箭:
是比F-104更像火箭的存在,在1967年10月3日的试飞过程中,这架验证机达到了7274千米/时的更高速度。
但最终飞机越来越不像火箭的原因在于飞机需要安全的起飞和安全的落地。
X-15只能依靠滑橇起落架在极长的跑道上降落,远远超过了一般战斗机所需要的降落长度,而且不具备依靠自身动力起飞的能力。
F-104也因为起降阶段的亚音速性能低下被人们赋予了寡妇制造机的名号。
甚至一段时间以来驾驶F-104的飞行员被认为能活着把战机降落到地面就是一种胜利。
原因在于——亚音速飞行和超音速飞行获得升力的途径不仅仅不同而且还是相互矛盾的。一架有优秀亚音速性能的飞机注定不可能有很高的超音速性能,同时一架具有极高超音速性能的飞机也很难有优秀的亚音速性能。
为此,在上世纪70年代西方各国国家开发了大量的可变后掠翼机型。
不过,为了实现机翼可以改变后掠角度,可变后掠翼战斗机无一例外的都付出了大量的结构重量,本身应该承载机身整体重量的机翼大梁不得不做成可变可动结构,就额外的造成了不必要的结构重量,而且强度并不能满足高负荷飞行。
那么关于可变后掠翼设计的问题就来了,为什么人们要费九牛二虎之力去搞可变后掠翼?
原因就在于高展弦比的飞机可以在很低的速度下获得较高升力,但是在较高的速度下会提供更高的阻力,相反具有很小展弦比的飞机在高速飞行的时候阻力要小得多。而飞机所受到的阻力是阻碍飞机高速飞行的唯一原因。
因此,可变后掠翼机会在高速飞行的时候收起机翼让飞机机翼的主体收到超音速激波内部。
降低阻力的同时,减少激波对结构的影响。
现在的矛盾又来了:
大多数的研究超音速飞行的时候都会提到附面层(Boundary layer),这是由流体的粘滞特性造成的一层稀薄空气。
由于超音速飞行器之前的空气被压缩形成激波向四周离开,附面层其实是一层十分稀薄的空气,其主要来源是飞行器前方没有被激波“弹开”的空气。物质不会凭空产生也不会凭空消失,如果大量的空气被超音速排开到四周,而飞行器周围不存在一个超低低压附面层那么我们就凭空创造物质了。
因此实际上在超音速飞行的时候,飞机的主机翼产生的升力是和亚音速飞行产生升力的原理有本质不同。
在超音速飞行的时候,升力的产生是依靠机翼上下边缘产生激波的压力差所造成的。这件事和主机翼的亚音速升力没多大关系。
早期的机翼依靠精密计算角度的后掠翼让飞机不断的产生激波。
同时让主翼隐藏在低压区域。这个技术让机翼前缘承受激波(例如F-4)。
很快,这种技术落伍,人们开始尝试双三角翼。
双三角翼的主要特征就是内侧大后掠角的机翼部分负责在超音速飞行时产生激波,而外侧小后掠角的机翼则负责亚音速飞行的升力产生。
由很快,边条设计出现,例如F-16
在超音速飞行的F-16上我们可以看到其产生升力的激波几乎和主翼无关,大部落在了边条区域。
在F-16超音速飞行的时候,大部分升力来源于结构外形而非机翼。
在边条设计之后,就咱们喜闻乐见的鸭翼设计了。
歼-20的鸭翼仅仅起到在亚音速下增加升力和配平的功能。这个设计在很多鸭式布局的飞行器中都是这样用的。
有一个很典型的例子就是TU-144超音速客机
这架客机超音速飞行的时候依靠三角翼内侧产生升力。在亚音速起降的时候则是会展开一个鸭翼。
这个方案就是在图-144大型飞机的体积红利上的解决方案,在飞机上有收起鸭翼的空间。
而战斗机,利于歼-20则没有这种收起鸭翼的空间。不过在设计过程中鸭翼的位置安排和后掠角度
这种设计就让歼-20的鸭翼在超音速飞行的时候完美的闪在由特定机头形状产生的激波后侧。
当然了,在这种状态下鸭翼周围根本没什么空气,也就谈不上对飞行控制产生多大作用了。
不过我们的设计优秀就优秀在歼击机20本身机头侧边、进气道上方都有边条设计,这些角度对设计并不完全是为了切合隐身需求而且也有气动设计的精要在内。在超音速飞行的时候,这些边条的设计其实才是歼-20能够超音速机动的要素。和鸭翼还就真的没一点关系了。
世界最快轰炸机女武神,可携带14枚 *** ,为何美国只造了两架?美国XB70轰炸机在战略轰炸机领域,是当之无愧的传奇,这是全球首款超音速战略轰炸机,速度能够达到惊人的3马赫,重达250吨,上面足足可以携带14枚 *** 。因为它集速度与力量于一体,因此人们称其为“女武神”,可就是这样一架传奇战机,美国却一共只生产了两架,你知道是为什么吗?
自从在东京空袭中,利用B29轰炸机尝到了甜头后,美军在战略轰炸机的研究上,就一直抱有很大的热情。等到上世纪50年代时,他们已经拥有了B36、B47以及B52等著名战略轰炸机,威力堪称绝伦。但是美军并不满意,因为他们觉得速度实在太慢了,即使是有着同温层堡垒之称的B52轰炸机,速度也只能达到0.7马赫,根本无法突破苏联的喷气式战斗机的拦截。为了能够研究出飞得更高、更快的战略轰炸机,XB70轰炸机项目正式被摆在了桌面上。
作为一款重型轰炸机,想要在速度上寻求突破,更好的办法就是在外形上做文章,女武神轰炸机就是如此。研究者们赋予了它乘波体的外形设计,整体修长的机身、机头部分超大的后掠角鸭翼设计、机尾部分的并列发动机布局以及双全动垂尾,都是为这一点服务的。也正因如此,女武神极具科技感,即使在今天看来,它也是“梦幻般的存在”。
1964年5月11日,美国军方公开展示了这款女武神轰炸机,4个月后进行了首飞试验,而这款女武神轰炸机也用实际数据证明了自身的强悍。在重达250吨的情况下,这款战机依旧能够飞行到21500米的高度,直接打破了当时的世界纪录,就更不用说那高达3马赫的梦幻速度了,它堪称是美国对付苏联的“必杀武器”。
抛开高空高速不谈,女武神轰炸机上也有很多令人惊叹的“黑科技”。这款长59.74米、宽32米、高9.14米的硕大战机,基本上都是由钛金属打造的,这在当时可相当罕见。而且这款战机暖机过程也非常快,只要25分钟就可以直接进行起飞,在普通轰炸机都会对飞行员身体形成严重负荷的当时,女武神轰炸机对飞行员不会造成任何损伤,这也引得无数飞行员对之趋之若鹜。
更让人惊叹的是,这款战机的载弹量能够达到惊人的11340公斤,光是 *** 就可以足足悬挂14枚,就更不用说其他一系列轻重武器了,在这款堪称完美的轰炸机面前,当时全世界其他轰炸机都得低头。
按照当时那个趋势,女武神轰炸机肯定是要大规模生产的,它也将在美苏冷战中发挥举足轻重的作用,然而谁也没想到,苏联居然另辟蹊径,并没有想着要研究出比美国更先进的轰炸机,反而是将精力都集中到了地对空导弹以及高空高速拦截机方面。这一下子高空高速战机也就没有了生存空间,反而是那些低空突防轰炸机迎来了春天,这也直接让女武神轰炸机陷入了尴尬境地之中。
俗话说得好,“祸不单行”,就在美军方面想着怎样改良女武神战机的时候,女武神项目中至关重要的2号机却意外撞机坠毁了,这又给美国人的心头蒙上了一层阴霾。再加上研究女武神轰炸机的公司后来被收购了,所以曾经被人们寄予厚望的女武神轰炸机,还没真正投入使用、叱咤风云,就草草收场,退出了历史舞台。
自始至终,美国方面也只制造了两架半的女武神轰炸机,其中还有一架坠毁了,这属实让人感到扼腕叹息,不过即使那架战机没有坠毁,女武神轰炸机的项目研究也不会再持续多久了,原因就是一个字“贵”。
你敢相信一架战机能换三艘航母吗?你敢相信一款轰炸机能够换取300架当时更先进的战斗机吗?你很难相信,但这在当时就是事实。
上世纪60年代,一架女武神轰炸机的造价就高达7亿美元,而美国1961年服役的之一艘核动力航母企业号,造价也才4.5亿美元左右,至于美国的小鹰号航母造价更是仅有2.5亿美元。一架女武神轰炸机能换三架小鹰号航母,让你来选,你会怎么选呢?
再者说了,当时更先进的F4鬼怪式战斗机造价仅有260万美元,一架女武神轰炸机足足可以换将近300架F4鬼怪式战斗机,这个数据让人充分感觉到了昂贵的概念。即使是美国后来F35,单机造价也才1.5亿美元,要知道这可是全世界唯一一款舰载5代机,即便如此,4架F35的价格都抵不上一架女武神轰炸机,这多少有点离谱。
出于多方面的考虑,女武神轰炸机最终还是被停产了,当年的世界最强轰炸机,如今也就只剩下了象征意义,不过不管怎么说,这款战机的确是创造过辉煌的,从纸面意义上来说,它也的确担得起“女武神”一称。
法国阵风M舰载战斗机 唯一一款鸭翼三角翼战机 法兰西的骄傲阵风战机是一款法国达索公司自主研制生产的多用途战斗机。其采用双发,鸭翼加三角翼的气动布局,具备非常好的机动性能。阵风战机主要分为3个型号,分别是阵风C空军单座型,阵风B空军双座型,阵风M海军单座型。三款战机的作战性能基本接近。
这三款阵风战机中,空重更大的是法国海军的阵风M多用途战机,其单价也是最昂贵的。主要原因是为了适应在航空母舰上起降,阵风M的机体结构得到加强。例如采用了粗壮高大的起落架。
与目前世界主流的几款四代半战机相比,阵风战斗机更大的缺点是使用了自产的M88-2涡扇发动机。这台发动机更大推力约50千牛,更大加力推力约74千牛。与同代的EJ200和F414涡扇发动机相比,其推重比,可靠性能和经济性能都要差一个档次。图片为阵风M战机飞行表演过程中。
阵风战机的航电水平还是相当不错的,虽然机载雷达直径不大,但是其多用途作战能力还是相当不错的。
在机体材料上,阵风战机与台风战机一样,大量采用了复合材料。并且在蒙皮连接处,采用锯齿状的设计,欧洲几款四代半战机中,阵风战机的隐形能力应该是更好的。
法国海军阵风M舰载战斗机降落过程中,可以看到阵风M战机挂载了3具副油箱。翼尖挂载了一枚红外制导的米卡中距空空导弹。
两架法国海军的阵风M战机结束飞行训练后,返回停机坪。从图中可以看到阵风M战机粗壮的前起落架。在长焦镜头的压缩下,阵风M战机显得非常紧凑。
法国海军阵风M战机起飞过程中,可以看到阵风M舰载机的机腹下有3具大型的副油箱。阵风M战机采用了标准的肋下半圆形进气道。并且进气道内部采用S型的设计,其隐形能力相当不错。
法国海军阵风M舰载机起飞过程中,可以看到两台M88-2涡扇发动机已经打开了加力。从这个角度看,阵风M战机的线条还是相当不错的。
法国海军阵风M舰载机在地面起飞准备中,可以看到阵风M战机的机首距离地面非常高。这是因为三角翼战机在起飞过程中,需要保持较大的迎角,以保证其升力。阵风M舰载战斗机也是世界上唯一一款采用鸭翼三角翼的舰载战斗机。这也是法兰西的骄傲。美国,俄罗斯和我国的舰载战斗机一般采用常规布局,这些阵风M舰载战斗机的照片,大家最喜欢哪一张?
为何全球隐身战机中 为何中国歼-20携带鸭翼?苏-57有两个挡板?苏-57编队
隐身能力是当前评价自己国家第四代战斗机一种重要标准,特别是隐身时代的到来,基本影响了战斗机之间的交战规则,因为这影响了战斗机之间互相探测能力,特别是敌方传感器的探测能力,使得敌方发现对方传感器的探测能力,和发现自己的几率大大降低了。并且与敌方发现概率越低,距离越拉远。对于现代空战体系来说,被人击落,击落他们的几率就越高。并且通过隐身还可以给对地打击带来优势。
歼-20在珠海航展亮相期间,其展示的隐身能力并不突出,毕竟是可见光状态下,并且无地面物遮挡隐蔽情况做的飞行表演,这一切为的都是让观众看到更清楚。就像歼-20总师杨伟说的那样,歼-20三大特点,隐身,超视距打击,信息化作战的能力,这三点在航展中确实无法展出。特别是隐身能力,因为当下的隐身技术都是随着战场环境来确定的。
歼-20 4机编队
歼-20和苏-57战斗机一样,都是采用了雷达隐身、红外隐身,并且机身都采用了特殊的可见光隐身性能,这三个部分构成了隐身战斗机的主体。对于战斗机来说,雷达隐身能力是重中之重,因为当前能够远程,中程打击战斗机基本都是靠远程防空导弹,中距空空等,其所依赖的就是依靠雷达制导。如果能做到对雷达隐身,就这意味着战斗机在面对敌人雷达探测的时候,具有非常高的隐匿能力。
苏-57也有类似前缘“鸭翼”
首先做到雷达隐身,那就得从飞机外形找解决 *** ,其次从雷达隐身涂料考虑。针对战机的金属外蒙皮、主要部件和武器弹药内置,使得敌方搜索雷达雷达波照射到战机上,争取做到雷达波回波慢,或者令回波方向改变。根据俄罗斯方面公开的画面来看,苏-57的金属蒙皮和苏-27没什么差异,除了会有一定的复合材料使用,制造工艺上还是采用了老式人工手贴,制造工艺水平落后。反观歼-20隐身战机蒙皮,工艺采用了一体蒙皮成型技术,减少人工操作蒙皮过程,减少因为人工造成的工艺误差和表面不整洁,所以我们发现苏-57战机表面还是大型铆钉加铆接位置,而歼-20铆钉很小,而金属蒙皮也是采用了整块模式。
并且苏-57战斗机方面人员可以随意站到飞机上,说明苏-57基本没有涂装隐身材料,而歼-20战斗机基本从来没有见过人员靠的特别近的时候,特别是各种涂装之后。隐身涂料后,人员基本是不可以靠近的。而从苏-57气动外观来看,其采用了苏-27系列特有的发动机进气道,机身下腹式进气道布置方式,并且进气道采用了直通式,这就造成了涡扇发动机的金属叶片形成了强大的雷达接收波,敌方飞机很容易接受,俄罗斯方面的做法式进气道前增加了一个挡板,可以进气调节,挡板通过吸收雷达波减小雷达波的发现。
苏-57家族
加力飞行
反观歼-20设计,整体合计就是考虑隐身能力。其进气道部署两侧,采用了S型进气道,在表面是看不见发动机叶片,DSI无附面贴层进气道采用了鼓包随动式,在战机机体上就可以调节进气道进气比。远比俄罗斯苏-57增加挡板翼面方便的多。DSI进气道设计就是为了超音速状态下总压恢复系数好,飞行状态下总压系数大,空气流动损失小,方便战机加速。
歼-20弹舱
首次公开展示弹舱
俄方认为的歼-20鸭翼影响隐身之说,并不是自己家歼-20的好,我们就可以夸赞。这是因为鸭翼其实在歼-20飞行过程中其实是用不到的,它的主要作用是在升起、降落的时候,在飞行中其基本和机翼保持一致,并不会突然竖起,这样保证了鸭翼不会成为隐身的“累赘”。相反是歼-20迅速拉起作战,平稳降落的利器。同时歼-20鸭翼通过了计算机控制,会根本战机姿态自行调整,保证飞行安全。
鸭翼(canard),又被称作前翼或前置翼,飞机要是配置了鸭翼,其特征非常明显,可以说一眼就能分辨。
这种配置就如同它的名字一样,因为水平稳定面被放置在主翼的前方,看起来就像是一只拥有胖胖的身体和小小翅膀的鸭子,正在努力伸长脖子飞行时露出的小翅膀一样。鸭翼这个名字的来源,正是法语中的“鸭子”。
鸭翼是什么
鸭翼是一种气动布局,而气动布局又被称为飞机“隐形的翅膀”,其重要性自然不言而喻。
鸭翼的诞生时间要比大部分人想象的还要早。实际上,人类的之一架飞机,也就是莱特兄弟在1903年发明的莱特飞行器,它的配置就是鸭翼。
不过,受制于设计技术的落后,也因为要避免使用莱特兄弟的专利,鸭翼在20世纪初并没有成为飞机气动布局的主要方式。
随着线传飞控的进步,直到在20世纪60年代,鸭翼在战斗机的运用逐渐成为可能。采用鸭翼的战斗机中,最有名的恐怕是美国的XB-70超音速实验机以及苏-47金雕战斗机了。
鸭翼的操控性好,并且能满足超音速战斗机的需要,更重要的是,在三机翼设计中(主翼、鸭翼和尾翼),配平力被交给鸭翼和尾翼共同承担。
也就是说,被这样设计的飞机,其鸭翼负责提供升力,尾翼则提供向下力,这样一来,主翼只需要提供较小的额外升力去维持俯仰就可以了,升力就变大了。采用鸭翼的设计,就能使得机翼的总表面积变小。
近年来,许多国家的战斗机采用的气动布局方式都是鸭翼。比如我们国家的歼-8II ACT、AD200、歼-10、歼-15、歼-20以及彩虹-3都是采用的鸭翼设计。
不过,进入21世纪后有人逐渐发现,在美国这个战斗机大国里,使用鸭翼设计的飞机却在减少,既然鸭翼对战斗机的优点多多,为什么美国现在却逐渐减少鸭翼的使用呢?
美国不用鸭翼吗?
鸭翼更大的优点就是可以同时提供升力,这样,水平尾翼在平衡力矩的同时还可以产生负升力。也就是说,在大迎角飞行状态下,鸭翼只需要减少升力就可以产生低头力矩,从而有效抑制飞机出现过度抬头的可能。
鸭翼的设计可以节省发动机推力,正因如此,鸭翼成了一种十分适合超声速飞行的气动布局,法国“阵风”、欧洲“台风”、瑞典“鹰狮”战机并称为“欧洲三雄”,它们均采用了鸭翼设计。
不过,鸭翼同样有一个致命缺陷,那就是会扩大飞机的俯仰反应,从而增大着陆时飞机擦地的风险。前文提到的法国“阵风”,为了避免擦地,法国人还特意将自己的飞机机身缩短。
鸭翼还有几个缺点,比如因为设计难度大,对整个飞机的技术要求和成本都造成不小的压力;其次鸭翼飞机操作难度高,其不同的飞行姿态对升力都有不同的影响。
这些原因就造成现在美国的主流战斗机(第四代战机)中使用鸭翼的很少,而即将投入使用的第五代战机,其设计早在上个世纪就已经有了雏形,现在再来更改,意义已经不大。再加上美国航发的研制,已经不需要鸭翼来提供升力了。
结语
当然,并不是说鸭翼没有存在的必要了,有许多飞机的设计,都结合了鸭翼的优点。
在未来,随着电控技术的提升,鸭翼的缺陷也有被避免的可能,美国现在正在开发的F/A-XX战机正是采用鸭翼设计。
Q版侧卫,具备4S标准、带鸭翼的S-54轻型战斗机苏霍伊设计局从苏-27开始一统俄罗斯战机半壁江山,累计推出了苏-34、苏-30、苏-57等机型,无一不是经典、无一不是重型战斗机。不过在上世纪90年代初期,苏霍伊设计局还有过另一款轻型单发教练机方案,这是一款形似小型版的单发苏-27战斗机。
苏联时期随着苏-27等重型战斗机的服役,可以灵活的执行多用途作战任务,不过在冷战期间还得考虑如果大规模战争爆发,重型战斗机昂贵的价格可不是想生产多少就有多少。因此研制一款轻型战斗机作为补充是必要的,性能基于米格-29及苏-27之间再创一个“二十一世纪的米格-21”成为可能。
轻型战斗机
1990年俄罗斯进行新一代高级教练机招标,苏霍伊提交了S-54轻型教练战斗机方案(10-12吨级),除满足俄罗斯空军外还推向国际市场。由于苏联在航空领域发展神速,S-54性能一路飙升甚至靠近苏-27战斗机,而且在价格和重量方面只有苏-27的一半左右。S-54外形看起来就是苏-27的缩小单发版,毕竟是自己家产品在气动布局上相当类似,采用单台RD-195涡扇发动机(米格-29RD-33改型)
S-54教练机
这个短粗的比例怎么看都很萌,完全是一款Q版苏-27战斗机。
S-54教练机
不过在米格和雅克方案入选后,苏霍伊设计局开始转向将S-54发展成轻型战斗机,用以补充苏-27、苏-30数量上的不足。轻型战斗机版本采用单发单座三翼面布局,而且要符合4S标准。
俄罗斯对S-54作战性能要求必须满足“4S”标准:超机动性(能完成低速和大迎角的可控飞行)、隐身性能(光学、红外以及雷达波段低可探测性)、超音速巡航能力、超视距空战能力。看完这些标准是不是显得相当熟悉,完全就是隐形五代机标准。
S-54轻型战斗机
1997年巴黎航展,苏霍伊拿出了S-54战斗机模型,就是一款轻型战斗机采取三翼面气动布局(鸭翼/机翼/水平尾翼),这次看起来像缩小版的苏-33战斗机。动力是一台AL-31F涡扇发动机,矢量推力喷管未采用,装备SOKOL火控雷达更大探测距离180千米,可以同时跟踪24个空中目标并引导攻击其中4个目标。
S-54战斗机模型
S-54战斗机模型
S-54战斗机模型
S-54战斗机模型
S-54轻型战斗机介于米格-29和苏-27之间,吸收了米格-1.44和S-37战机的许多设计特征,采用鸭式边条翼布局,在隐身方面采用所谓的等离子技术等。不过最终这架图纸机也没能走下画板,俄罗斯新一代隐形战斗机就是拍扁的苏-57,反正整体感觉还是苏-27的延续——侧卫不死。
S-54轻型战斗机
最近俄罗斯公布一款新型舰载机模型,这款战机与歼20一样,采用了鸭翼+无尾三角翼+倾斜垂翼气动布局。但是从细处看,这款战机似乎继承了苏系飞机的传统,并未解决隐身问题,下面我们就挑几处说一说。
座舱盖是雷达波的反射源头之一 :座舱是仅次于进气道和弹舱的三大反射区之一,要想成为真正的隐形飞机,先得把它处理好了才行,俄罗斯这款战机尽管座舱盖有金膜防内镀防反射,但传统座舱驾驶员前面的风挡和后面的滑盖并不是一个整体,二者之间还有一个钢结构的连接加强框,从下图看,俄罗斯这款战机是典型的的传统座舱盖——风挡式两片装,这个直接暴露的连接加强框是一个很大的反射源。隐身战机一般都采用一体化座舱,不要小瞧这个座舱盖,它代表的是更先进的材料、制造技术,当年洛马在研发F22时表示,一体化座舱盖是更大的挑战之一。
F22用一整块流线形的透明材料将风挡和座舱盖融为一个整体,取消了二者之间的加强框,目前只有中美两国掌握了整体式座舱盖技术。而且座舱盖常用的玻璃或聚碳酸酯都是透波材料,需要在外面镀上一层外观呈现黄色的黄金或红色的氧化锡,让雷达波无法穿过造成凹腔反射。偏红的反光显示歼20的座舱用的是氧化物镀膜。在中顶部还设置了一道s形的东西,据说是与弹射逃生相关。
进气道技术:俄罗斯的这款战机从进气道技术分析,从外形看,苏57的很象。如果从俄罗斯这款战机的外型来看,它的发动机与进气道在一条直线上,也就是说,它是直管式进气管,这种进气道单纯追求进气效率,如苏57飞机一样,它的发动机入口断面将直接暴露在正前方入射的电磁波前,从而在机头方向产生很强的镜面回波,即便偏离正向的入射波,也将因腔体效应在很宽的范围内产生较强的回波。显然苏式飞机似乎只有苏75上找到进气道解决方案——但它还只是个模型。
发动机的叶片是很大的反射源,S进气道主要是把发动机的叶片进行了隐藏,实现局部的提高隐身性能,另外还起到压缩空气的作用。所以进气道对材料的要求很高,金属材料的进气道的隐身性能不如复合材料的,金属加工性能也不如复合材料。另外S进气道对空气进行压缩,设计与加工不好就会影响发动机进气效能,从而影响飞机的性能。俄罗斯并不是搞不了S进气道,它在苏47上就搞过,而它选择直管式进气管,说明它追求的是速度与机动。
从气动布局来说,它更像米格1.44,几乎一模一样,当然俄罗斯这款战机是两侧进气,而米格1.44是机腹进气,而且1.44有腹鳍,俄罗斯这款战机没有。
米格1.44采用的近距耦合鸭翼、无尾三角翼、机腹多波系可调进气道、双发、双垂尾的气动设计;有前缘机动襟翼,后缘平直,布置有襟翼和副翼;鸭翼前缘根部设计有锯齿;带有垂直安定面的双垂尾外倾15°,安装在主翼向后延伸的尾撑上;尾撑末端和腹鳍都存在可动偏转翼面。
分得很开的双垂尾向外倾斜,既有利于隐身,也有利于避开鸭翼和边条引起的涡流。注意垂尾和发动机喷口之间的水平控制面,这可以用在在特别大迎角时依然保持横滚控制,但是1.44下面有腹鳍,模型没有,说明模型将采用更先进的航电。
歼-20的鸭翼气动布局足够优秀,难怪在中国航空发展史上留下一笔作为现役三大量产型五代战机之一,中国空军的歼-20之所以赢得了外界的高度认可,其优势和亮点之一就是独特的鸭翼气动布局(也被称为抬式布局)设计。因为在五代战机的关键性能参数方面,歼-20的机动性由于受到发动机性能的限制,很难和美制F-35、F-22相媲美。为了保证歼-20的超音速飞行和超机动性能力,中国航空设计团队借助鸭翼设计,让战机具备了独特的升力体机型,以此弥补了最根本的发动机短板。
总体来说,对于目前已经研发出五代战机的中美俄三国来说,尽管设计风格和理念有着明显差异,但在遵循五代战机标准方面却有异曲同工之妙。简而言之,五代战机就是要在确保隐身飞行和超音速飞行能力的前提下,保证“大升力、小阻力”的设计结构,进而让战机拥有超机动性飞行能力。对于这一点来说,在发动机领域具备先天优势的美俄两国无疑走在了世界前列。以全球首款五代战机F-22来说,美国人实现这一技术特点的设计方案堪称简单高效。凭借着F119-PW-10这款功率强大的航空发动机,再加上矢量喷口设计,就足以解决一切问题。
相对而言,负责研发制造歼-20的成飞设计团队,曾经一度为航发而发愁。因为无论是引进的俄制AL-31F改型发动机,还是国产涡扇-10B,都无法满足动力方面的需求。在集思广益、开创思维之后,设计团队终于在气动布局上找到了突破口。首先,歼-20采用了别具一格的中远距鸭翼设计。
由于歼-20是上单翼构型,有利于实现翼身融合的升力体构型,并且可以兼顾到内置侧弹舱的设计,因此整个鸭翼位置与机翼处于同一水平面。在此基础上,歼-20的鸭翼位置还专门设计了一个边条结构,其作用除了可以提升前缘部分的涡升力之外,还有助于推迟机翼分离的发生和发展,这种尖拱形边条与鸭翼气动布局的组合,就更大限度保证了升力更大系数的产生。
“歼-10之父”宋文骢院士曾经就在其发布的论文中提到,采用鸭翼布局的战机,其更大升力系数要比一般战机高出49%,而像加入了边条设计的歼-20,更是要比常规战机超出60%。截至目前位置,美制F-22战机尽管也采用了边条设计,但其边条面积非常小,再加上战机进气口上方唇口后掠角度同样不大,由此带来的升力系数就十分有限了,仅仅在1.5左右。综合来说,在现役所有机型中,歼-20 更大升力系数可以说达到了世界一流水平。因此,在超超音速飞行状态下,其遇到的阻力也最小。
去年,歼-20总师杨伟在接受媒体采访时曾经提到,从世界航空发展的潮流来看,战斗机未来将着重体现机械化、信息化、智能化三大特色。特别是在超视距作战成为主流的当下,曾经一度备受重视的超机动性已经越来越被淡化。这也意味着,在近距离狗斗频率越来越低的前提下,继续在发动机方面过于追求,其实意义并不大。从这个观点也可以推测,由于歼-20的鸭翼气动布局已经足够优秀,未来继续换装新型矢量发动机的概率也将越来越小。
因此,传说中的涡扇-15大推力矢量发动机,是否能够得到换装,依然还存在不小的疑问。与此同时,在歼-20气动布局设计大获成功的前提下,包括歼-10、歼-15系列等多款国产战机目前也均采用了鸭翼气动布局。可以说,仅仅是这一项创新设计,就在中国航空发展史上留下了浓墨重彩的一笔。