走近歼-20之一：“鸭翼”的秘密

 

歼20的“鸭翼”

       自从2011年我国最先进的“黑丝带”歼20隐身战斗机“官泄”面世开始，到2016年珠海航展的正式公开亮相，“威龙”就伴随着广大军迷的轰动和诋毁在不断改进。除了发动机这个“无可反驳”的吐槽点外，最大的争议点莫过于歼20的“鸭翼”布局了，认为这是其落后的“标志”，究其原因，既简单又“充分”，主要有两点：一是我们采用了；二是美国没采用。事实又真的如此吗？

      什么是“鸭翼”？它有什么分类及特点呢？      鸭翼，是由于飞机的机翼靠后，机身修长，飞起来像鸭子，因此称鸭式布局，后来就将前翼称为鸭翼了。

       

别打，我不是飞机，是鸭。。

       鸭翼是一种将水平稳定面放在主翼前面，而相对于一般将水平稳定面装在飞机后面（尾翼）的飞行配置，如歼-10、欧洲“台风”等，也有即采用鸭翼又有尾翼的配置，称三翼面布局，如歼-15，以及既无尾翼又无鸭翼的无尾三角翼布局，如幻影2000等。

飞机常用的布局

      鸭翼有多种分类，根据鸭翼的固定情况，分为固定型和可操纵型；根据翼面的活动情况，分为全动型和非全动型；根据鸭翼与主翼的位置及耦合情况的强弱，又可分为近距鸭翼和远距鸭翼等。

美军“自由女神”

以色列“幼狮”战斗机

       鸭式飞机的特点比较明显。传统布局由水平尾翼以负升力方式配平，鸭翼以正升力形式配平，随着迎角的加大，鸭翼布局具有更好的升力系数。

鸭翼布局可实现正升力配平

       鸭翼的另一个优点是，由于战斗机为对发动机推力需求与日俱增，导致发动机重量随之增加，传统布局会造成飞机重心后移，缩短水平尾翼力臂。如果把水平安定面安装在主翼前方成为鸭翼，就会有较长力臂，可提升操控性。

     

鸭翼产生的涡流

       鸭式布局中的鸭翼并不是简单的将常规型飞机的尾翼移到前面来这么简单，鸭翼通常可以起到的作用除了和常规型飞机一样，起到配平和俯仰控制外，更重要的是利用鸭式前翼所生成的对主翼带来更多附加升力的涡流。由于后掠翼的失速是从翼尖发生，鸭翼产生的涡流对延缓该处流场分离的帮助不大，所以后掠翼和梯形翼大多以前缘边条或锯齿产生涡流，推迟气流分离的方式来提高大迎角操控性，所以配合三角翼或前掠翼最为理想。

　

国产歼10战斗机

      鸭翼与主翼间流场存在复杂的交互关系，不良的鸭翼设计可能会破坏全机流场与发动机进气质量，所以许多国家仍以传统布局进行战斗机设计。传统布局战斗机通过使用线传飞控，放宽气动不稳定性，重心置于升力重心之后，配合大面积前缘边条提升大迎角飞行性能，使飞行质量可兼顾稳定性与机动性，水平尾翼也能以正升力形式进行姿态控制。

       鸭翼布局即便有种种优点，仍并摒弃在主流战斗机之外，直到近距耦合（closed couple）概念的出现，加上线传飞控的辅助，使鸭翼-三角翼气动布局的潜力得以发挥。    在远距鸭翼中，基本上忽略了鸭翼涡和机翼涡的耦合，譬如典型的如XB-70：鸭翼并非是大后掠角鸭翼，并不强调鸭翼又涡的生成，鸭翼距离机翼也很远，鸭翼主要用于配平操纵。　与远距鸭翼像对应的是近距鸭翼，这个时候鸭翼会采用较大后掠角生成涡，而鸭翼距离机翼并不远，那么鸭翼涡和机翼涡会相互干扰耦合，这种现象后来被称为近距耦合作用。

鸭翼的近距耦合

       当人们发现鸭翼距离机翼较近且具有不同于远距离的耦合效应时，就对鸭翼距离机翼多远、上下位置多高、鸭翼面积多大、鸭翼的上反、下反以及鸭翼的后掠角等进行研究，近距耦合和远距耦合都是属于“近距鸭翼”范畴，只不过在这个范畴中，选择了距离较远的耦合还是距离较近的耦合，这是因为鸭翼同时具有涡耦合作用和俯仰操纵的特性，所以在俯仰操纵和涡耦合方面进行综合考虑就成为设计师需要考虑的事情，显然鸭翼距离机翼远则耦合作用降低配平作用增强，而鸭翼距离机翼近耦合作用增强而配平作用降低，那么到底多远为合适就看飞机设计的取向和设计师如何进行选择，现实中几种做法都有：譬如阵风、以色列狮战斗机都是属于鸭翼距离机翼较近，耦合作用比较强的，那么其俯仰操纵和配平除了依靠鸭翼外升降副翼在这方面起到很大作用；而像台风则是鸭翼距离机翼比较远，所以台风鸭翼配平作用较强而涡耦合作用较弱，所以台风在鸭翼和机翼之间加了窄窄的边条来增加耦合作用。

欧洲“台风”战斗机

 

欧洲“台风”战斗机

       因此，鸭式布局在论述时，远距离鸭翼方面不探讨耦合作用，只在近距鸭翼中进行探讨耦合作用。而在耦合作用中，根据鸭翼距离机翼远近和耦合作用强弱，再将其分为“近距耦合”和“远距耦合”。

      当然，近距耦合与线传飞控使鸭翼布局的气动力优点得以发挥，但仍然需要考虑其先天具有的缺点。一般来说鸭翼布局战斗机的垂尾面积与高度都超过传统布局战斗机，这是因为鸭翼涡流会干扰垂尾附近流场，影响纵向稳定，此外还因为垂尾离重心较近，力臂较短，需较大面积才能产生足够的纵向控制力矩。还有的设计为了确保大迎角时的横向稳定性，在机腹加装腹鳍。高耸的垂尾会增加结构重量、阻力和雷达反射截面积。

四代机对比

        歼20作为世界第四代战斗力中唯一采用鸭翼布局的隐身战斗机，一方面说明我国在气动特别是“涡”的研究领域上已具有了极高的水平，另一方面也显示出我国在飞控、材料、工艺等方面有了突飞猛进的发展，表现了中国军工的自信和成熟。

       诚然，鸭翼的选择和发动机的无奈也有一定的关联，但那就是另外一个话题了。相信不久的将来，大推一定会使“威龙”实现超巡的梦想。

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