鸭翼布局升力明显,操控灵活,为何美国战机都不用?

小挖客以从事航空器设计的经历来说:那是因为鸭翼布局其实并没有想像的那么好,它出现得并不算晚,但一直没有普及也是有原因的,许多人的认知还有误区。答之前先强调一点:现代飞机尤其是战斗机的设计非常复杂,牵扯的因素也非常的多,很难真正了解采用或者弃用某种技术的真正原因,我讲的也只是我的个人推测,尽量讲得透一点易懂一点,篇幅较长。

鸭翼的基本作用飞机在天上飞,上下左右前后全是空气——不象汽车下面是坚实的大地,因此飞机多了件很重要的事情——要平稳!汽车不平稳不是致命的,反正有大地托着;飞机不平稳,就可能出现要么抬头向上飞没法降下来,要么低头向下飞一直栽下去。鸭翼和水平尾翼的基本作用都一样,保持飞机平稳飞行。看上图,飞机是不是很像挑的担子或轿子?通常情况下,注意,是通常情况下,飞机的升力中心和重心是已经定好了的,人为控制飞机平稳,就是通过调整鸭翼或平尾,让飞机这个系统来保持平稳!传统布局飞机很象挑担子,也称为“挑”式布局,垂尾一直产生负升力,通过负升力的大小来调整飞机的俯仰。

而鸭式布局很象抬轿子,也称“抬”式布局,鸭翼通过调整正升力来控制飞机的俯仰!这一下优点相信大家都看出来了:鸭式布局的优点正如题主提到的——升力效率明显高一些!美国人不是不用,而是首先使用——世界上第一架飞机是美国人发明的,用的正是鸭翼布局!如下图。后来为什么不用了?喜欢航空史的读者会发现,第一架飞机用了鸭翼,为啥后来、一战、二战都没怎么用了呢?这涉及到另一个稳定性的问题:飞机的发动机和螺旋桨装在哪里更好?发动机和桨装前面的叫“拉”式布局,装尾部的是“推”式布局。

早期飞机设计师们很快发现“拉”式比“推”式更稳定(大家可以回忆一下,拉一辆小板车是不是比推更容易控制?),结果造成螺旋桨式飞机绝大多数把发动机和桨、座舱(视野更好)都放在机头上。而早期飞机是机械操作的,采用鸭翼的话也要放在机头,会额外多出一大堆结构、机械连杆等等机构,跟发动机、座舱抢夺机头的空间不说,还会多出很多重量,机头的阻力也会大不少!两下一盘算,还是正常的尾翼比较划算,于是大家都用正常布局了,如下图。

不过也有几个例外,再次提到美国,在二战时就造出了鸭翼 推式布局的飞机,如下图的XP-55,发动机和螺旋桨放在尾部,机头装鸭翼和机枪机炮,这样看起来很合理。但试飞的结果是这种飞机的操作性不好,也就是很难飞,跟通常飞机的操作习惯差别很大。而且发动机放后面,散热也不好,后面巨大的螺旋桨在转,万一飞行员要跳伞逃生等着他的是个巨大的绞肉机。

于是美国没有装备,后来日本人也用这个思路搞出所谓“大东亚决战机”——鸭式的“震电”,刚试飞几天就投降了,于是成了很多精日常常提到的“如果”——如果震电能早2年搞出来,二战会如何如何……但真的早2年试飞,等着小日本的问题还多着呢——另外几种吹得很厉害的“烈风”“疾风”“紫电改”倒是早了1年,也没见能把美国人怎么样。

二战后的情况二战后进入喷气时代,发动机倒是到战斗机屁股上了。但此时设计思想进入了两种状态——要么很保守,减少风险保证军队有可用的飞机;要么很激进,干脆直接上大三角翼,把尾翼或鸭翼全拿掉,配平的功能交给主翼上的副翼。前者不必说,后者诞生了一大批无尾三角翼的战斗机:仅美国就有F-102、F-106、海军的F7U“弯刀”……甚至到了F-16刚服役,就拿出个F-16XL的无尾改进型,F-22也没逃脱“砍屁股”毒手,弄出来个FB-22……这会儿当然,鸭翼也没有被遗忘。

美国历史上最昂贵的飞机之一“女武神”XB-70就采用了鸭式布局。奈何这个项目下马了。另外美国在试验一些高机动性的研究项目时,也没忘了鸭翼:X-29、X-31(如下图)……为何鸭翼忽然又火起来了?这是因为在做机动性研究时,如何增大飞机的可用迎角成了一个重要方向。大迎角飞行时,机翼上表面会产生紊流(乱气流)导致局部失速——可以理解为失控,升力也大大减弱。

记得(记错了请纠正)应该是格鲁曼公司首先在F-5战斗机上发现的,战斗机的边条翼(下图红圈)能产生很强的脱体涡(下图的白烟),涡流扫过主翼上表面把紊流带走从而产生所谓的“涡升力”,这就能飞机的可用迎角大增,让什么“眼镜蛇”之类的动作成为可能。而进一步研究发现,鸭翼尤其是近耦鸭翼(可以理解为鸭翼与主翼很近,甚至上下重叠)也有类似的功能!这个非常重要!另外,原来“抬”式布局的好处还在,而之前说的那一堆无尾三角翼飞机的起降距离很长(升降副翼影响了主翼上布置增升的襟翼,而且离重心相对较近,低速起降时升力严重不足),于是鸭翼一下子又火起来了。

特别擅长无尾三角翼的法国人搞出了鸭式的“阵风”,欧洲战斗机“台风”也用了鸭翼,美国F-35战斗机之前的“海选”中,也有用鸭翼的。还有个好处是很多答主忽略了点——大迎角飞行时,往往传统水平尾翼正好处于主翼的气流中,控制规律非常复杂!而鸭翼在主翼之前,不会受主翼的影响,控制规律相对要简单得多!该说鸭翼的缺点了——第一个误区传统鸭式布局是“抬”式所以升力效率高,但到如今情况变了,因为又出来个新东西“静不稳定”:对于现在的高机动战斗机来说,在格斗的时候,其实往往是飞机的稳定性越“差”越好。

不稳定的飞机,稍稍一点力就可以立刻改变姿态——飞机的灵敏度大大提高!不稳定的飞机不格斗时很不好操作呀,没关系现在技术进步了,有了飞控电脑和电传操作系统,可以非常灵敏地自动调整!于是设计F-16时,设计师就开始“放宽静稳定度(可以理解为让飞机不稳定)”——让重心和升力中心靠拢!后面一大票高机动性战斗机几乎都是放宽了静稳定度的,那么这种情况下,原本鸭翼产生正升力的好处变小了——平时不需要它产生那么大的升力了。

于是,鸭翼“升力效率”高的好处,几乎变得没有了!最重要的缺点很多答主都提到了,鸭翼偏转时和机身呈很大的夹角,形成对雷达波的角反射器,非常不利于隐身,尤其是机头前方的隐身效果!这在空战中是非常重要的!下图夸张了一些,这么大偏转角只有降落滑跑时,但可以说明问题。还有些小问题前面说过大迎角下鸭翼产生的涡流会有很强增升效果,这是近耦效应,也就是说必须鸭翼与主翼很近甚至重叠,比如说“阵风”战斗机这样。

如果太远了,效果就不会好。我们歼-20的鸭翼就比较远,所以主翼还补了小小一块的边条翼用来额外产生涡升力,如图中的红圈。这样一来鸭翼的位置就会比较尴尬:离得近有涡升力,但太近了配平的效果不好——因为力臂太短;太远了增升的效果又不好,而且装在机头雷达的附近,如果用电机去做偏转动力,可能还会影响机头雷达的工作——因为静不稳定布局鸭翼的动作会很频繁,这个影响力通过简单的滤波程序很难消除掉(下图“台风”就曾遇到过这个问题)。

最后的结论现代战斗机的设计非常复杂,牵扯的因素非常多。我们普通军迷(能看到这里的估计都没几个人了)已经很难判断某种气动布局被采用或者被弃用的真正原因。只能用自己的知识和经验来做一番推测。综上所述,小挖客认为美国不用鸭翼很可能是出于隐身方面的考虑,而且在常规布局上积累的经验也更多。下图是JAST“海选”时曾经出现的鸭式布局。

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