国产新歼的鸭式气动布局评述(转)_夜空怒放_新浪博客

   

      

    

     采用鸭式气动布局的战斗机设计方案从上世纪60年xx始陆续出现,经过40多年的技术探索,目前已经进入成熟应用阶段。国际上相继出现了多种采用鸭式气动布局的新型战机,如欧洲的EF2000"台风"、"阵风"、JAS39"鹰狮"、以色列的"幼狮"、俄罗斯的米格1.42以及中国{zx1}研制的某型多用途歼击机等,形成了一股"鸭式气动布局战斗机"的热潮。不过作为航空技术发展水平较高的美国却没有在新一代战斗、机设计和现有型号的改进设计中采用这种布局形式,因此在现代战斗机整体设计方案选择上,出现了鸭式气动布局和常规气动布局设计并存共重的情况。
  其实,鸭式气动布局一直是航空设计人员难以割舍却又不能充分利用的技术,世界上{dy}架真正的飞机采用的就是鸭式气动布局,但采用这种气动布局的飞机虽屡次创造了航空技术发展史上的奇迹,却又很快黯然失色;虽屡创佳绩,鸭式飞机却总是无法动摇常规后尾式飞机的霸主地位。鸭式气动设计的优势和缺点都十分明显,每个飞机设计师在获得巨大成功的同时却又不得不面对同样巨大的技术难题。

◆优势明显

  鸭式气动布局给人最深的印象是能够提供更好的升力特性,它取消了负升力的平尾而得到了正升力的前翼。根据风洞试验数据,只需要将模型的平尾简单地移动到主翼前方就可以大幅度提高飞机的升力特性;如果对前翼的位置进行精心设计,则所得的气动贡献更是惊人。以以色列的"幼狮"战斗机为例,"幼狮"战斗机在原"幻影"5战斗机的气动布局上增装固定鸭翼将飞机的升力系数提高了40%~50%;升阻比也获得了很大的改善。瑞典的"萨伯"37战斗机在采用了带副翼的鸭翼后,庞大的战斗机获得了比许多轻型战斗机还好的短距起降性能。
  目前采用鸭式气动布局的战斗机中,无论是早期的"幼狮"、"萨伯"37。还是新一代的JAS39、"阵风"、EF2000、米格1.42和中国的新型多用途歼击机,这些机型的主翼翼形采用的都是xxx。在鸭式气动布局战斗机上采用鸭翼加xxx的总体设计可以在飞机的气动特性、结构和整体布局上获得许多优势。由于小展弦比的xxx的翼根弦长很大,在机翼{jd1}厚度较大时却可以保持较小的相对厚度,对于减小超音速时的阻力非常有利。xxx的机翼结构较轻而且有较大的内部容积,可以有效地增加飞机内部空间。
  另外,这种布局形式可以使飞机更好地在机动性、敏捷性和超音速飞行性能之间得到平衡。鸭式气动布局的前翼拉出的涡流与机翼涡流共同作用,可以增加飞机的总升力,高升力有利于提高战斗机的瞬时转弯角速度,以及降低外侧机翼的载荷。目前所装备和发展的带有三角主翼的鸭式气动布局战斗机,基本上都是利用前置鸭翼所形成的有利干扰,在发挥xxx气动优势和进行有效增升的前提下,降低xxx本身气动弱点对飞机性能所造成的影响,以保证战斗机整体气动性能得到有效的提高。
  与同类机型带尾翼的常规布局飞机相比,鸭式气动布局的战斗机体积更小、重量更轻,结构设计更加紧凑。而更小的尺寸在理论上所代表是就是更低的成本,在保持整体战斗力相当的情况下获得小尺寸和低成本的战斗机,是世界各国飞机设计师所梦寐以求的,鸭式气动布局战斗机在一定程度上成为实现这一理想的有效途径。

◆美中不足

  鸭式气动布局在获得高升力的同时还存在有高的俯仰力矩,这就使采用这种气动布局的战斗机需要较大的配平力矩才可以抑制飞机在大迎角下容易出现的上仰发散趋势。鸭翼距离飞机的重心近,配平力矩明显小于平尾,使飞机产生配平不足的问题。而鸭翼和主翼之间的气动干扰所形成的纵向力矩非线性的缺陷对鸭式气动布局的应用也有非常明显的限制作用。战斗机无论是采用近距离耦合还足远距离耦合的方式,鸭翼都会使飞机产生一个明显的上仰趋势,虽然这个上仰趋势可以通过放宽静安定度和采用变弯度机翼得以改善,但是这个上仰:的趋势在飞机迎角达到一定程度之后就将会对本已存在的整机配平问题带来更大的压力,采用鸭式气动布局的战斗机在没有推力矢量技术辅助的情况下,大迎角飞行性能要低于用平尾配平的常规布局飞机
  鸭式气动布局飞机的鸭翼配平力臂一般情况下还不到正常后尾式的二分之一,即使对鸭翼和主翼进行xx的设计也很难弥补鸭翼配平力臂较短的缺陷。目前鸭翼的安装位置大都高于主翼,在形成有利的脱体涡的同时也对主翼产生了严重的气动干扰,鸭翼的增升作用越明显,鸭翼下洗流对主翼的气动影响就越大。
  鸭式气动布局在配平和前、主翼气动干扰上所存在的问题,在很长一段时间里成为了限制其应用的主要因素。早期安装有鸭翼的"幼狮"、"幻影"5/50、歼-9、"萨伯"37战斗机的鸭翼都采用了固定翼面设计("萨伯"37鸭翼后的可动面是襟翼而不是副翼),在气动上的贡献与飞机边条的作用异曲同工,主要利用脱体涡对主翼形成的有利气动干扰来增加飞机的有效升力,飞机的俯仰控制还是依靠机翼后缘的翼面,鸭翼本身只是起到了一个涡流发生器的作用而不是以个有效的控制面。无法应用可动鸭翼是因为鸭式气动布局在纵向力矩非线性特点的影响下,对飞行控制所形成的影响是飞行员依靠自身的反应能力xx无法解决的。
  鸭式气动布局在气动和控制上存在的困难只有在电传操纵系统和放宽静安定度技术成熟之后,才真正获得了突破,后两者成为了国外三代半战斗机普遍应用鸭式气动布局设计的技术基础。
  解决鸭式气动布局纵向力矩的非线性问题的方法,除了目前广泛应用的放宽静安定度和采用电传系统等技术外,国内、外也曾经开发过多种相对较简单的解决方式。通过在主翼外侧增装小翼和在鸭翼后方的机翼上方加装侧板的方式,可以在不改变主翼翼形和应用电传操纵系统的前提下,明显改善鸭式气动布局纵向力矩非线性的问题。在鸭式气动布局主翼外侧增装小翼的方案主要应用在小型民用飞机上,而以色列的"幼狮"和瑞典"萨伯"37式战斗机在主翼前缘外侧加装的锯齿结构也可以起到一定的效果。
  国外在20多年前就已经提出在鸭式飞机主翼上方加装侧板的技术,并且进行了相当的试验,中国在早期研究"抬"式飞机设计的过程中也对侧板技术进行过研究,2002年在珠海航展上展出的采用侧板结构的CY-1型飞机的模型,可以说是将侧板与鸭翼结合的一个实际例子。布置在机翼上方适当位置的侧板确实可以在飞行控制上获得比较明显的改善效果,但是也会带来结构重量和阻力增加的问题,而且在目前连教练机都开始广泛配用电传操纵系统的情况下,使用机身侧板来拉直纵向力矩曲线的设计方式实际使用意义并不大。国外的研究机构虽然开始研究侧板技术的时间相当早,但是采用带侧板鸭式气动布局设计的机型目前也没有进行过实际应用。

◆共存与竞争

  战斗机采用鸭式气动布局确实是获得高机动性能的一个技术方向,而放宽静安定设计和电传操纵系统也在很大程度上改善了鸭式气动布局战斗机的技术问题,欧洲和俄罗斯的新型战斗机已开始广泛应用鸭式气动布局设计,但是鸭式气动布局在国外新一代战斗机的发展中仍然没有取代常规气动布局设计的地位,美国新发展的F-22和F-35战斗机的早期设计也曾有过鸭式气动布局设计方案,但是F-22和F-35最终的方案仍然采用了正常的气动布局设计。鸭式气动布局具备很多气动优势却无法取代常规布局的原因,主要就是目前的鸭式气动布局设计在气动和控制方面仍然存在一些现有技术不易xx解决的难点。
  鸭式气动布局设计的战斗机利用鸭翼和主翼襟翼控制面,以及鸭翼相对主翼所形成的有利干扰,可以得到很高的升力系数和亚音速机动性,在超音速飞行时也可以通过较小的配平阻力来获得比较高的升阻比,这些都是鸭式气动布局设计所具有的优势。但是鸭式气动布局设计在具有很多气动优势的同时也存在较大的设计难度,鸭翼与主翼配平上的问题使鸭翼的翼形设计和翼面积受到了很大的限制,很难与飞机整体的气动设计进行良好的综合。无论足采用近距离还是远距离耦合的鸭翼,在尺寸和操纵功率上都要受到很多条件的限制,而鸭翼在大迎角下容易出现先于主翼失速的问题也使飞机的控制和大迎角机动存在困难。对于强调低信号特征的现代战斗机来说,鸭翼在偏转的时候会形成一个强反射的内锐角结构,而且置于机首的鸭翼也不能象平尾一样得到飞机机其他部分的遮蔽,对于战斗机的整体隐身设计会造成很难克服的困难。鸭翼在取得高升力的同时会对主翼的增升措施造成影响,主翼采取的增升措施又会在鸭翼上形成低头力矩,这些问题就造成了鸭式飞机的整体升力性能无法在设计中得到充分体现。在同样采用放宽静安定、设计和电传操纵系统的条件下,采用鸭式气动布局设计的战斗机在气动性能上相对于带有机翼(机身)边条结构的常规设计战斗机并没有取得整体上的优势,而鸭式气动布局的技术难点也使战斗机在设计难度上明显高于同规格的常规布局战斗机。
  采用鸭式气动布局设计的战斗机在综合机动性能上相对良好设计的常规战斗机也没有占据优势,以美国X-31和F/A-18战斗机所进行的模拟对抗的结果来说,翼载荷和推重比上都具有一定优势的X-31在不使用推力矢量的情况下,在近距离格斗中并没有获得相对于F/A-18战斗机的优势,甚至在一定程度上还处于劣势地位。通过理论上的分析和实际的验证,可以认为经过良好设计的常规布局战斗机,在整体机动性能上并不低于采用鸭式气动布局设计的战斗机。
  放宽静安定度设计在电传操纵战斗机上的应用大幅度地缓解了配平上存在的问题,因为采用放宽静安定度设计的飞机重心可以设计在焦点的后面,有效地延长了前翼的配平力臂,这就使放宽静安定的鸭式气动布局飞机的鸭翼在很大的迎角下仍然可控,保证了飞机在大迎角时的俯仰力矩控制要求,扩大飞机的可用迎角和有效升力。欧洲EF2000、"阵风"、JAS39和中国的某型歼击机都是以放宽静安定和鸭式气动布局相结合来获得高性能的。电传操纵的应用使飞行控制可以在计算机的辅助下进行,这样就可以保证飞机在大迎角和非线性纵向力矩所形成的复杂的姿态下保证飞机的稳定和控制性能。虽然现代航空技术的发展已经使鸭式气动布局设计所存在的缺陷大多得到了克服,实用化的鸭式气动布局设计目前也已经开始在各种机型的设计上得到广泛的应用,但是鸭式气动布局在气动和控制方面存在的缺点并没有得到根本解决。鸭式气动布局设计在现有技术条件下仍然无法达到常规后尾式气动布局设计的标准,现代战斗机设计中出现的鸭式气动布局和常规气动布局共存的情况,所代表的仅仅是不同的装备思想和技术条件下的不同选择,而并不代表了那种气动布局具有相对另外一种设计的优越性。

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