《校场》2020-06-23：终须有日龙穿凤：鸭式布局战斗机如何翻身农奴做主人

源济

终须有日龙穿凤：鸭式布局战斗机如何翻身农奴做主人
新浪军事  2020年06月23日 17:16

长期以来，国内互联网上都流传着这样一则段子，认为美国人说过：鸭翼最好的位置是安装在敌人的战斗机上。当然，正如之前我们提到过的其他段子一样，这也是一则没有来源的无头谣言。以美国战斗机的技术发展来看，就算美军真说过类似的话，也大概率是美国陆军说的。不过，美国现役战斗机无一例外的使用了常规气动布局倒也是事实。这自然难免会引起军迷们的争论，即：鸭式布局到底好不好用，到底适不适合战斗机使用。<




要弄清楚这个问题，我们首先还得从鸭面（俗称鸭翼）本身的几个发展阶段讲起。所谓鸭面，指的就是飞机的水平控制舵面位于飞机的主翼之前。事实上，莱特兄弟制造的人类历史上第一架飞机就采用了鸭式布局。因此，相比于现在我们所说的“常规气动布局”，鸭式布局才更应该被称作“常规布局”。不过，在莱特兄弟时期，人们对于空气动力学还基本没有什么认识，莱特兄弟之所以要把升降控制舵面放在机头，最主要的原因可能还是觉得如果飞行员能够看到控制舵面会比较安心。




这种布局在当时也影响了很多飞机设计者。其中有一些甚至比莱特兄弟更加激进，比如法国人阿尔伯托·桑托斯·杜蒙设计的桑托斯·杜蒙14 bis飞机就完全放弃了主翼之后的尾部构造，飞机的俯仰、偏航都使用主翼前面，安装在万向节上的筒状控制舵面进行控制。




然而从空气动力学的角度上来看，早期的鸭式布局并不科学。对于早期的螺旋桨飞机来说，鸭式布局必然意味着飞机的升降控制舵面位于飞机的螺旋桨之前，因此，无法享受到螺旋桨产生的滑流加成；此外，飞机的主翼也会产生一个下洗场，如果控制舵面位于主翼之后，同样能够享受到一定的加成。两相叠加，就意味着相比于水平尾翼，这时的鸭面更容易失速。而一旦鸭面失速，飞机将很难进行俯仰控制和配平，这对于飞机的安全性来说显然是不利的。因此，在欧洲人发明了控制舵面位于主翼之后的常规式布局之后，鸭式布局基本也就无人问津了。




不过，这样一个百花齐放的时代永远不会缺乏奇奇怪怪的脑洞设计。有人就认为，控制舵面在前在后都有自己的优点，所以“小孩子才做选择，我全都要”。因此，包括莱特兄弟在内的一批航空先驱就率先尝试了在一架飞机上同时安装前置和后置控制舵面的布局。这也就是后来我们所熟知的“三翼面布局”的起源。




当然，早期的鸭式布局相对于正常布局倒也并非全无优势。对于静稳定的常规布局飞机来说，其气动中心和重心都在飞机前部。出于配平考虑，在平飞时，飞机的水平尾翼必须要产生负升力，这相当于降低了飞机的整体升力。而对于静稳定的鸭式布局飞机来说，其气动中心和重心都在飞机后部，因此鸭面要产生正升力来进行配平。这就相当于提升了飞机的整体升力。因此，即使是在常规布局占绝对优势地位的几十年时间里，各国也不乏采用了鸭式布局的飞机设计，如德国的福克沃尔夫F-19、美国的寇蒂斯XP-55等。但总的来说，在飞机发展早期的这几十年时间里，鸭式布局基本是弊大于利的。




鸭式布局真正迎来自己的春天还是在冷战时期，空军进入了超音速时代之后。虽然此时的鸭式布局设计理念与此前并没有本质上的差别，但人们开始发现，随着飞机的马赫数增大，鸭式布局的优势也越来越大：对于常规布局飞机来说，主翼在平尾处的下洗会随着马赫数的增大而减小，因此需要平尾有更大的配平偏度，这就必然会导致飞机配平阻力的增大。而对于鸭式布局来说，其鸭面的下洗对主翼升力的影响也会随着马赫数的增大而减小，这就变相的增加了飞机的升阻比。此消彼长之间，在高马赫飞行时，鸭式布局飞机的配品升阻比要显著高于常规布局。因此，这一时期极端追求速度的美国XB-70轰炸机就采用了鸭式布局。




不过就在鸭式布局卷土重来之际，另一个古老的气动布局——无尾布局，就站出来给了鸭式布局一记当头棒喝。相比于有尾常规布局和鸭式布局，无尾布局最大的特点在于少一个翼面，这就带来了两个重要的优势：首先，无尾布局飞机的重量会比另外两种布局的飞机更轻一些，在相同的发动机推力下，飞机的推重比会更大；其次，无尾布局飞机的阻力会比另外两种布局的飞机更小。这两个优势共同决定了其在高速飞机设计中的地位。




相比于无尾布局，鸭式布局的优势在于马赫数较高时，其气动中心的后移量比无尾布局更大，静稳定度更小，舵面的配平偏度也较小。不过以冷战时期各国的技术条件来看，高速截击机的最大速度也不过就是2+Ma，而在这一速度段，鸭式布局的优势还远不足以弥补其劣势。因此，冷战时期的高速截击/战斗机还是以无尾布局为主流，如美国的F-102、F-106、XF-108、YF-12；法国的幻影I、幻影III、幻影5、幻影2000；瑞典的SAAB J35等。




从空气动力学的分类上来讲，我们上面提到的鸭式布局都属于较为原始的“远距鸭式布局”。而真正促成了鸭式布局复兴，并让其在三代机时代占据主导地位的现代鸭式布局则被称为“近距鸭式布局”。上世纪60年代，瑞典人在设计SAAB 37战斗机时发现，如果鸭面距离主翼较近，且处于一个合适的位置上时，鸭面和机翼前缘的分离漩涡产生了有利干扰，这极大提高了飞机在大迎角时的升力，非常适合高机动性战斗机使用。在SAAB 37之后，世界各国开始对这一气动布局进行了广泛、深入的研究，并发展出了大量近距鸭式布局战斗机，如：瑞典SAAB 37、JAS 39、法国阵风、欧洲战斗机台风、以色列幼师、我国歼-9、歼-10等；此外，美苏两国还发现鸭式布局对前掠翼飞机有很大的亲和力，因此也诞生了如苏-47、X-29、X-31这样的鸭式前掠翼飞机。




最初发现的近距鸭面与主翼的有利干涉仅发生在飞机大迎角飞行时，这主要是因为传统的中、小后掠机翼需要较大的迎角才产生稳定的前缘漩涡。那么有没有在小迎角就能产生稳定的、强度较大的前缘漩涡呢？有的，这就是无尾布局飞机非常热衷的小展弦比大后掠机翼。因此上述的几种典型的近距鸭式布局战斗机中的绝大多数都采用了这种翼型：JAS39、台风、阵风、歼-10的后掠角都在50~52°上下，形状也都接近三角翼。这些战斗机普遍机动性优秀、大迎角性能优秀、超音速性能优秀，自上世纪80年代之后，这种布局也成为了战斗机设计的绝对主流。




此外，鸭面与主翼有利干涉的发现也促进了很多其他气动布局的发展。其中最具代表性的就是对无尾布局的改进。正如上文所说，无尾战斗机在2+Ma截击机时代占据了统治性地位，而这些飞机又大多采用了大后掠角、小展弦比的机翼，其中又以三角翼最为普及。那么给这些飞机加上鸭面会怎么样呢？答案是不怎么样。不过这倒不是鸭式布局本身的问题，而是传统飞控很难适应气动布局大幅变化带来的操纵难度。因此，作为折衷方案，有不少无尾布局飞机仅安装了固定的“鸭面”用来制造漩涡增加升力。




不过文章开头我们说过，鸭面本身得是飞机的控制舵面，而固定的，不能控制飞机俯仰的鸭面那就不能叫鸭面，因此，这些固定鸭面也就有了一个新的称谓——涡流产生器。采用了这类结构的战斗机主要有法国幻影III NG、幻影5、幻影2000等。此外，瑞典曾经有过为SAAB J35安装折叠式涡流产生器的方案、洛克希德公司最早的先进战斗机（ATF，后来发展成为YF-22和F-22A）方案也安装了折叠式的涡流产生器。




另外与近距鸭面作用相似的还有现代常规布局战机普遍适用的机翼边条。其作用同样是通过与机翼的有利干涉增加升力。不过与鸭面不同的是，边条相对来讲更加适合中等或小后掠角、中等展弦比机翼。采用边条的几种经典三代、四代常规布局战斗机：如我国枭龙；美国F-16、F/A-18、F-22、F-35；俄罗斯侧卫系列、苏-57等的机翼后掠角均小于42°。




相比于鸭式布局偏爱的小展弦比大后掠角机翼，常规边条气动布局的中等甚至小后掠角机翼在低速下的升力效率更佳，因此其续航力、起降性能（这对舰载机和前线战斗机非常关键）和多点外挂能力也要更强。加之常规布局飞机利用尾翼差动进行滚转的效率要比鸭式布局飞机利用鸭翼差动进行滚转的效率更高，即使是进入了机敏性称王的三代机时代，常规布局战机也依旧能够占据战斗机设计的半壁江山。




虽说在三代机时代鸭式布局完成了“咸鱼翻身”，但盛世背后的危机同样不容忽视。一方面，在飞机大迎角飞行时，鸭面产生的涡流会对垂尾产生不利干扰，这非常不利于飞机横侧稳定性的保持，虽说现代战机基本都采用了放宽静稳定性设计，但这里放宽的是飞机在亚音速下的纵向静稳定性而非横侧稳定性。因此鸭式布局的战斗机往往要在增强横侧稳定性上下更多的功夫。




此外，升力体、边条等增升手段与传统的近距耦合鸭式布局存在一定的冲突，无法同时使用。而前两者又可以在很大程度上抵消鸭式布局的优势，因此鸭式布局的发展也受到了很大的挑战。不过，问题就是用来解决的。在近距耦合鸭式布局出现30多年后，另一种划时代的鸭式布局——集众家之所长的升力体边条鸭式布局悄然诞生。




这种气动布局不仅保持了鸭式布局和边条常规布局各自的增升效果，两种增升手段相互作用还得到了更高的升力系数。而在采用了升力体布局后，虽然鸭翼的增升效果有所降低，但整体的升力特性依旧得到了很大程度的提高。这种布局让战斗机拥有了优秀的超音速阻力特性、大迎角升力特性、稳定性和控制性。在三代机放宽静稳定的基础上，这种气动布局采用了纵向静不稳定、偏航方向放宽静稳定的设计，配合两个全动垂尾的控制，在机敏性上相比于此前的三代机更上一层楼。在第六代战机的概念尚未诞生的今天，这可能也是世界范围内最先进的气动布局了。