作者:张亦驰。最近网络上传出的消息称,基于苏-27的一些机型,在某项对抗中再次胜出。

作者:张亦驰

最近网络上传出的消息称,基于苏-27的一些机型,在某项对抗中再次胜出。盘点近些年的对抗,往往是基于苏-27的机型胜出更多,而鲜见单发鸭部队夺冠。当然,这并不能简单地说哪种机型格斗性能好,而是与机载武器、机载设备和人员素质密切相关。不过,我们不妨借这个机会说说以往被认为优势巨大的鸭式布局。

一提起鸭式布局,很多军迷都认为要比常规布局好,气动收益很大。对于发动机不行的国家来说,似乎只能用鸭式布局“在气动上补”(其实发动机不咋地的俄罗斯并没有装备鸭式布局战斗机,发动机不弱的欧洲反而用了不少鸭式布局)。那么,鸭式布局到底有什么优势?有那么多优势还为什么老被苏-27搞?这次,我们试图简单但是力争客观地分析下鸭式布局的优缺点。

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传统的常规布局飞机,重心位于气动焦点前,其尾翼进行负配平,使得升力降低。

人们最早搞鸭式布局战斗机,其实主要是看中了它进行正配平的优点。常规布局的静稳定的战斗机,飞机重心在前,全机焦点在中,尾翼在后,这样作用于重心的重力向下,作用于焦点的升力向上,为了保持平衡,尾翼必须产生负升力才能保持纵向平衡,所以尾翼进行负配平。这样就降低了全机的升力,减小了升阻比。特别是放下襟翼的时候,需要提供配平的负升力就更大。像美国的f-4战斗机,由于在后缘襟翼采取了附面层控制技术,放下襟翼后低头力矩极为明显,尾翼在配平时已接近失速,不得不让尾翼前缘上翘,翼型变为反弯度的。日本的ps-1水上飞机甚至使用了尾翼下表面吹气技术来增加负升力。

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鸭式布局(下)重心位于机翼焦点前,鸭翼进行正配平,整体升力更大。

鸭式飞机则不同。一般来说其重心位于前翼和主翼的焦点之间,前翼进行正配平,前翼和机翼把飞机抬起来,这样飞机的整体升力就大了。特别是在起飞的时候,鸭翼产生正升力,促使飞机抬前轮,理论上应该具有很好的起降性能。

这就是最初人们脑补的鸭式布局的优势。

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为降低鸭翼对机翼的下洗气流影响,萨伯-37对主翼进行了切根处理。这种做法的另一优势是让机翼面积最大化,降低翼载荷。

但是进一步研究就发现问题了。因为流经前翼的气流会对后面的机翼产生强烈的下洗作用,相当于减小了机翼的迎角,这样会降低机翼的升力。这样一来此消彼长,通过前翼正配平产生的升力增量,又被气流下洗导致的机翼升力降低抵消了,甚至整体的升力不升反降。至少,正配平的优势荡然无存。其实这一问题在鸭式布局的导弹上也比较突出,如果不采取一些气动措施,鸭翼对后面的大型弹翼形成的下洗作用,导致弹翼会形成更大的反向力矩,那会导致鸭翼很难通过差动来控制导弹的滚转。

另外,鸭翼的配平能力比较差。因为鸭翼距离重心比较近,配平力矩比较短,有些飞机,当飞机放襟翼,鸭翼打到头也很难平衡。

当然,这也难不倒技术人员。前翼对机翼前缘产生下洗,我们把受到影响的那块机翼前缘砍掉不就行了。瑞典萨伯-37“雷电”就这么干的。将机翼翼根切去一块,这样既得到了正配平的收益,又降低了对机翼下洗的不利影响。

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有的鸭式布局战机,鸭翼由于距离重心比较近,配平力矩不足,起飞式需要机翼后缘的升降副翼上偏提供抬头力矩,但会降低机翼升力。阵风就有这问题。中国歼-10在这方面则比阵风强很多。

人们后来的研究表明,鸭翼更大的收益在于涡升力。通过鸭翼,在机翼上面形成一系列的稳定的脱体涡。这些脱体涡就如同一个一个小旋风,加速了机翼上表面的气流速度,给机翼一个升力增量,这个升力增量远比前翼下洗气流导致的升力降低大多了。

这样一看,鸭式布局飞机,比传统的常规布局飞机优势是不少。

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鸭式布局的一大优点在于提供涡升力。

不过,这是针对传统的常规布局飞机,但是使用了一系列新技术的后尾式布局飞机,其气动收益并不比鸭式小。

首先我们看看鸭式布局最大的收益,涡升力的问题。常规布局飞机可以通过机翼边条来实现涡升力。而在航空界公认的是,在一定范围内,同等面积的边条,产生的涡升力是要超过鸭翼的。因为边条的后掠角非常大,通常超过70度,相对厚度也更小,所以更容易产生脱体涡,脱体涡也更为稳定。我们在珠海航展上经常看到“枭龙”随便飞飞就能飞出两道“小胡子”,那就是稳定的脱体涡,但是歼-10的鸭翼却很难飞出用肉眼看出的明显的脱体涡,就是这个道理。

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同等面积的边条,提供的涡升力增量更大。上两图为大面积的尖拱形边条很容易拉出脱体涡,下图为珠海上空的歼-10,鸭翼和主翼的脱体涡相对较弱。

歼-20使用了鸭式布局,但同时还使用了边条就是因为鸭翼的增升效果不够,才增加了边条。而且,歼-20原型机使用了涡升力更大的尖拱形边条。在生产型上则使用了升力特性稍差但是隐身性能较好(因为可以将雷达波向单一方向反射)的三角形边条。欧洲的“台风”也是如此,由于远距耦合鸭翼的涡升力不足,不得不增加了一个机身边条,后来的升级版还使用了小型的机翼边条。

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从这张图能看出,在比较大的迎角下,边条形成的脱体涡更明显,而且此时鸭翼下偏,以保持纵向平衡。

这也同时说明,鸭式布局当然也能用边条,整个“中美合资,文体两开花”啥的。但是鸭式布局同时使用边条,双方形成的脱体涡旋转方向相同,相互之间会产生干扰,其结果是1 12。更大问题是隐身。鸭翼加大边条会让前向的rcs波峰更多,而隐身的惯用做法是尽量让rcs的波峰少一些,哪怕单个的波峰能量更大一点。