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鸭翼的优点和缺点都有哪些,为什么中国的有些飞机有鸭翼?

  • 军事
  • 2021-05-15 21:43
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鸭翼的优点和缺点都有哪些,为什么中国的有些飞机有鸭翼?

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近几年,中国空军迎来了跨越式发展,一大批先进战机相继服役,歼10、歼11、歼16以及歼20等共同组成了我国空军主力战斗机阵容。而在这些战机型号中,与歼11系列不同,歼10和歼20都采用了鸭翼的气动布局设计。不仅我国战机是这样,欧洲的台风战斗机、法国的阵风以及瑞典的鹰狮等都采用了鸭翼。

(歼10战斗机)

(歼20与歼16战斗机)

(阵风战斗机)

鸭翼的叫法源于法语中的“鸭子”一词,它就是主机翼前面的一对小三角翼,因其布置位置与尾翼相反,像鸭子一样而得名。鸭翼又分为两种,一种是不可操纵鸭翼,主要用于加强飞机在大迎角飞行时机翼的前缘涡流,增强大迎角飞行时的操纵性,提升战机的短距起降能力,例如瑞典的saab-37战斗机。另一种则是可操作鸭翼,也是目前主流鸭翼类型,它的主要作用是增加涡流,减少配平阻力,提升战机的机动性能。

(瑞典的saab-37战斗机)

(F15 Active验证机采用的就是全动鸭翼)

鸭翼的好处在于它产生的涡升力。气流通过鸭翼后,会在机翼上面形成一系列稳定涡流,这些涡流再通过主机翼上面时,会增加主机翼上表面的气流速度,使主机翼获得一个更强的升力增量。在相同的升力条件下,鸭式布局的飞机所需迎角会小于正常布局飞机的迎角,所以鸭式布局飞机的配平阻力明显小于正常布局的飞机。在发动机性能不佳的情况下,这对于保持战机性能可以说是非常有利的一面。同时,在大迎角飞行时,鸭翼迎角通常要大于主机翼的迎角,鸭翼会先于主机翼出现气流分离,导致飞机低头,这样可以使得鸭式布局的飞机不易失速。此外,因为鸭翼在主机翼的前面,在大迎角飞行过程中,它可以在一定程度上控制主机翼上经过的涡流。那么在大迎角条件下或者拉迎角过程中,鸭式布局的战机就具备了快速机动的能力,从而让战机的机动性和敏捷性显著提高。

(鸭式布局的鸭翼可以提供强大的升力)

(鸭式布局可以极大的提升战机的升阻比)

(鸭翼可以控制主机翼上面经过的涡流)

不过,鸭式布局的缺点也比较明显。首先就是操纵系统的要求会很高。在电传操纵成熟以前,可动鸭翼的控制极其复杂,稍有不慎就会造成飞机失控,以前的飞机大多采用固定式鸭翼,主要用于提升短距起降能力。电传操纵成熟后,人们通过飞控软件,可以很好的控制战机姿态,发挥出鸭翼的优势。因此,要想鸭翼保持可控,就需要具备较高的飞行控制技术。其次,鸭式布局设计不仅要考虑好鸭翼的大小,还要考虑它与主机翼的相对位置。根据战机设计要求,决定鸭翼与主机翼间的位置,既不能太近也不能太远。太近,鸭翼产生的涡流变化复杂,会导致升力的变化变得非常剧烈,使飞机变得难以控制。太远,鸭翼产生的涡流对主机翼影响有限,则会导致升力不足。

(歼10采用的是鸭翼近距耦合设计)

(台风战斗机强调远程截击,注重超音速的敏捷性,其鸭翼与主机翼距离较远)

歼10的研制历时20多年,在特殊的历史环境下,成飞克服了重重困难,吃透了鸭式布局的设计,才让我国获得了一款优秀的战机。由于我国在航空发动机领域有着很多不足,而鸭式布局又可以在很大程度上弥补这一问题,加之它还可以提升飞机的机动性和敏捷性,所以我们才会如此钟爱鸭翼。尽管如此,这两款鸭式布局战机都非常成功,他们极大地提升了我国空军的战斗力,让我国成功跻身于世界战斗机发展的第一梯队。

(歼20战斗机)

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鸭翼布局是战斗机非常常见的一种布局,专业术语叫做抬式布局,这个布局可以说是最早的飞机布局,莱特兄弟研发的第一架飞机就是用的抬式布局。抬式布局之所以出现的最早,体现出的就是他出色的升力效果。


图为歼10战斗机,作为我国第一种自研的四代机,他就是一款使用了鸭翼的第四代中型战斗机。
一般而言,飞机都有多个控制翼面,比如主翼、尾翼(鸭翼)、垂尾,飞机依靠这些控制翼面完成各种机动动作。其中,主翼主要提供飞机的升力,尾翼(鸭翼)主要提供飞机向上、向下的纵向机动,垂尾则主要提供飞机向水平方向的机动。现在也有一些飞机省却了其中的部分翼面,比如B2轰炸机就没有垂尾和尾翼,幻影战斗机则没有尾翼(鸭翼),他们都把相关机动动作的控制交给了其他翼面,这样不可避免降低了飞机的机动性。
图为飞行者一号,人类历史上首架飞机使用的就是鸭翼和抬式布局。
在常规布局飞机中,尾翼在主翼之后,而在抬式布局飞机中,鸭翼在主翼之前,可以说,鸭翼就是把飞机的尾翼前置的一种气动布局,这样做的好处首先在于提高升力。现代战斗机重量很大,而且重心后移,主要因为飞机后部的发动机重量较大,而且现代战机的油箱多位于飞机座舱后部,占用的重量也较大,这些都不可避免导致了飞机的重心后移。


上图为歼10战斗机,下图为德国的台风战斗机;现代战机发动机和武器挂载、油箱都在飞机后部,重心偏后,鸭翼的配平作用非常明显。
常规布局的战机飞行中,尾翼需要向下偏转,产生负升力,以克服飞机飞行中因为机尾重、机头轻,以及飞机本身前部机体产生的正升力导致的机头上扬问题,这样,飞机的主要两个水平翼面中,只有主翼产生升力,尾翼却在消耗升力,导致飞机的升力降低、载重下降、航程速度减小等问题。鸭翼在主翼之前的抬式布局飞机则不同,他们的升力要大的多。


图为台风战斗机,它属于远距离耦合式鸭翼,飞机的配平作用大于产生涡流的作用,主要帮助飞机取得高速飞行的能力。
在抬式布局飞机中,由于鸭翼在前,因此鸭翼对于配平飞机的重心有很大的作用,鸭翼的动作机构和机械设备重量也不轻,对发动机重量本身产生了平衡作用,因此飞机的重心非常稳定,在飞行中,鸭翼可以产生升力,主翼也在提供升力,使得飞机总的升力提高,飞机的速度、航程扩大,载重增加,机动性得到明显的改善。


图为歼20在大仰角机动中拉出的涡流,歼20可以使用5对涡流,飞机的机动性非常强大,气动设计极为复杂,水准很高。
其次,鸭翼现在还分为近距耦合鸭翼和远距耦合鸭翼、中距耦合鸭翼等。这个耦合的距离不同,也体现出鸭翼不同的功效,但是总之都是利用了鸭翼的另外一个特点:涡流产生器。鸭翼在飞机大仰角机动中,会在气流中拉出涡流,涡流本身是一种复杂气流,在过去,科技水平不足以控制和利用涡流,涡流产生后飞机主翼上方的气流被扰乱,升力持续加大,飞机很难稳定和配平,因此往往陷入飞机不可控,甚至是坠机。
图为F22战斗机在快速转弯中,由大边条产生的涡流,边条也可以产生涡流,但是其他的性能较差,属于想要利用涡流的保守设计。
但是现在不同,通过鸭翼来产生可控的涡流,使得飞机取得了使用涡流的能力,飞机可以利用主翼上方被扰乱的气流,加大主翼的升力,在大仰角机动中取得更灵活的性能,飞机的爬升率大大提升,转弯半径大大缩短,翼载荷降低,可以承受更大的机动过载系数,因此鸭翼布局的飞机在格斗空战中具有一定的优势,敢于尝试一些常规布局飞机不敢尝试的动作。


图为歼10B矢量型和歼15战斗机,我国在鸭翼使用上经验非常丰富。
至于我国的飞机大多数有鸭翼这个问题,其实也不光是我国,欧洲研发所有的第四代飞机也都有鸭翼,比如阵风、台风和JAS39鹰狮战斗机等,俄罗斯研发的苏30SM战斗机也使用了鸭翼,在全新一代的五代机中,俄罗斯的苏57也有隐藏鸭翼,我国的歼20也采用了鸭翼。其实,不可否认的是鸭翼确实对提高飞机的飞行性能有很大的帮助,但是也同样带来了造价升高、气动复杂、飞控复杂、故障率高、坠机较多等问题,美国鸭翼用的就相对较少,这是美国独特的条件决定的。
图为我国新一代战机搭档,歼20、歼16、歼10C,其中两款拥有鸭翼。
在美国,对飞机的设计制造不需要太过于极端和激进的性能,超级大国有足够的财力物力保障飞机的数量和规模,因此美国的战机要求性能可靠、成熟,而且大都是多用途飞机,可靠比什么都重要,于是美国并不愿意耗费巨资在鸭翼上,只是将相关技术吃透后用于技术储备完事。当然,美国的航空发动机推力较大,性能较好,可以弥补飞机机动性能的差距,这也是美国不使用复杂气动布局的原因。

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鸭式布局与常规布局并无高下之别,关键还是看设计思路和综合设计水平。

鸭式布局作为上个世纪70年代后兴起的一种战斗机整体方案,目前已经大行其道、遍地开花,与常规布局形成分庭抗礼之势。


歼10作为中国第一种摆脱苏联战机传统、自主研制的战斗机,采用了标准的鸭式布局方案,获得了极大的成功,从此中国也正式加入鸭式布局大家庭。

而采用升力体边条翼鸭式布局的歼20则代表了鸭式布局设计水平的最高水准。
当然,说中国大多数飞机带鸭翼有点言过其实,毕竟歼11、歼16、鹘鹰、飞豹等战机还是常规布局。这也说明中国作为一个崛起的航空强国综合实力很强,并不局限于一种技术路径,而是根据自己的需求选择不同的方案。另一方面也说明鸭式布局于常规布局并无高下之分,只是路径之别。

在四代机的布局选择上,中国既有鸭式布局的歼20,也有常规布局的鹘鹰。
有一种广为流传的说法,采用鸭式布局的战机往往是因为发动机较弱,所以才需要气动设计复杂的鸭式布局进行弥补,所谓”动力不够气动凑“,歼20就是典型的例子。美、苏两大航空强国之所以不采用鸭式布局,就是因为美苏两国航空发动机牛逼,不需要采用鸭式布局。

但是这种说法并不客观,采用鸭式布局的欧洲台风战机使用两台非常强悍的EJ200发动机,性能比F414还好,堪称中推之王。
而美、苏不采用鸭式布局也不代表鸭式布局不如常规布局,F16设计师希拉克尔曾经嘲讽”鸭翼最好的位置是装在对手飞机上“。但是希拉克尔毕竟是上个世纪60、70年代的飞机设计师,那时的气动设计水平、战机飞控系统尚无法完美驾驭鸭式布局。而且美、苏在常规布局领域功力深厚,用常规布局非常顺手,没有必要冒着巨大的技术风险去更换门庭。
正如前文所说,鸭式布局并不比常规布局更好(当然也不更差),鸭式布局战机有着明显的优势与劣势,一型飞机用鸭式布局好还是常规布局好,取决于需求和设计水平。鸭式布局的优势有如下几个:
1、升力性能好,鸭式布局往往有更好的胜升阻比。

鸭式布局的最大特征就是在主翼前部设置一对鸭翼,而传统布局则是在主翼后设置平尾。虽然看似是将一对小翼安装在机体不同的位置上,但是对战机整体的气动影响则大相径庭。鸭式战机的前翼与主翼一样产生向上的升力,既可以克服飞机在飞行时的低头力矩,而且提升了整机的升力特性。正是因为如此,鸭式布局在我国最早成为”抬式布局“,非常形象。

而常规布局战机为了配平低头力矩、保持机头方向,需要尾翼下偏产生负升力(F16在平飞时尾翼需要下篇5度左右),以气动中心为支点,像一个跷跷板一样将机头抬起。这样的情况下,尾翼下偏降低了全机的升力性能,而且下偏的尾翼还增加了飞行阻力。
2、鸭翼与主翼耦合,利用脱体涡效应获得更高的升力特性。

鸭翼在大仰角状态下翼尖拉出的涡流压力较低,从主翼上表面流过可以提高主翼的上下压力差,产生更好的升力特性,这种效果与常规布局中的边条翼相似,但是鸭翼由于面积更大,而且可以大角度偏转,产生的脱体涡效果更明显。我国歼20采用了鸭翼+边条翼的组合,升力性能之强可可想而知,当然需要积极强悍的飞控才能驾驭。

3、鸭式布局的大三角主翼翼根长,与机身结合面积大,为提升整机机体结构强度、设置较大的机翼油箱提供更好的工程条件。
当然,与常规布局相比,鸭式布局有些与生俱来的缺陷,主要体现在以下几个方面:
1、鸭翼与主翼的耦合机制比较复杂,对飞控设计要求高,稍不慎就会出现飞行事故。

作为世界上最早采用鸭式布局的瑞典,在鸭式布局上深耕细作,但是在JAS39研制过程中仍然避免不了飞控事故。
2、鸭式战机由于采用鸭翼+三角翼的组合,诱导阻力大,使得战机敏捷性能好,但是持续机动性能差,也就是俗称的瞬盘性能好、但是稳盘性能差。
3、鸭式战机大三角主翼展弦比小,与常规布局的后掠翼、梯形机翼相比巡航效率低,载荷航程性能差。
4、鸭式战机由于鸭翼在前,使得战机的前向雷达截面积增加,不利于前向隐身。美国在五代机上不采用鸭式布局,这个就是原因之一。

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鸭翼的历史由来已久,其实人类历史上第一架飞机飞行者一号就是将操纵面放在机翼前,这就是典型的鸭式布局。
飞行者一号,操纵面在主翼之前,这是鸭式布局的特征。飞行者一号前方的
历经100多年的发展,鸭翼布局一直从未被放弃,到了21世纪更是有许多战斗机都采用了鸭式布局,例如阵风,台风,J-10,J-20,苏-30等。
我们先来看第一个问题,鸭翼的缺点和优点都有些什么呢?
鸭翼其实很复杂,随着鸭翼的面积,位置和形状等的变化,鸭翼的优缺点特性都是在发生变化的。最简单的例子:根据鸭翼和主翼的位置关系,有利干扰等可以分为远距鸭翼和近距鸭翼;根据鸭翼同机翼的水平位置关系又可以分为上鸭面,中鸭面和下鸭面;根据鸭翼的形状又可以引入梯形,圆形等,还可以同主翼一样加入,展弦比,后掠角等参数。
实际上按照严格的教科书上的定义来讲的话,是没有中距鸭翼的,中距鸭翼可以算是一个网络自创词语
我举上述的例子是为了说明,鸭翼是很复杂的,这个简单的问答中是讲不清的,所以我会从远距鸭翼和近距鸭翼入手说明鸭翼的优缺点。
近距鸭翼和远距鸭翼的优点有些不一样,但缺点是基本一致的,所以我先说各自的优点。
近距鸭翼的优点:鸭翼会增加升力系数,产生额外的向上的正升力,这可以让飞机更擅长于瞬盘,也可以让飞机更加的敏捷。
此图来自于《飞机气动布局设计》,讲述了近距鸭翼增大升力的原理
一般的鸭翼飞机升阻极曲线更为的平缓,弯度系数较小增加近距鸭翼可以直接提高升力系数,对于机动性一般的飞机的确是有部分好处的,因为瞬盘对于改变机头指向是有极大好处的。
此图来源于《航空飞行器飞行动力学》,这是一个升阻极曲线。因为升力系数和阻力系数是关于速度和攻角变化的函数,(此图的Ma数已固定)所以升力系数和阻力系数实际上一直在变化。极曲线就是描述升阻比变化的,这是飞机很重要的参数。通过上图我们可以看见,如果极曲线的弯度系数比较小,那么在增加相同升力系数时,弯度系数较小的飞机阻力系数增加的更大,升阻比就会更低,所以加入近距鸭翼用来提高升力系数是很好理解的
近距鸭翼的第二个优点就是跨音速波阻更小,因为近距鸭翼靠近主翼其纵向面积分布更为平滑和均匀符合超音速面积率。

阵风就是典型的近距鸭翼布局
远距鸭翼的优点就是:擅长超音速配平。什么是超音速配平呢?很多人可能不理解。
配平其实很简单,飞机在天空中飞行的时候,是不可能时时保持一个平稳状态的,所以这需要飞机的平尾,副翼和垂尾去维持飞机在俯仰,横滚,偏航力矩的平衡。

所以就会产生配平阻力,在这其中能够显著减小的就是俯仰配平阻力,我们都学过杠杆定理,知道力臂越长越省事,对应到飞机中也是一样的。那么我们如何去将力臂变长呢?
从台风的顶视图我们可以看出来,由于主翼位置靠后,飞机的重心相对于常规布局的飞机更加靠后,而台风的远距鸭翼却很靠前,力臂就很长,学过杠杆原理的都应该知道,力臂越长越省力
对于俯仰配平阻力来説,我们可以寻找鸭翼,远距鸭翼到重心的距离比平尾到重心的距离更远,所以力臂更长,所以相同情况下配平时舵面偏转就会小,产生的配平阻力就小
近距鸭翼和远距鸭翼还有一个共同的特点,那就是一般为了实现鸭翼与主翼的有利干扰,主翼一般采用三角翼,三角翼的显著特性就是小展弦比,大后掠角,这样的机翼设计可以有效的减小超音速波阻。
然后我们来说鸭翼的缺点:1. 鸭翼的俯仰配平效率较低。虽然有很多论文论述了鸭翼是有利于飞机的大攻角稳定性,升力和减小大攻角下的阻力。
但是在现实生活中,还没有哪架无TVC的鸭翼机能够光凭借鸭翼的俯仰配平能力拥有大攻角性能。
此图来源于《飞机气动布局设计》,是近距鸭翼在0.2Ma的低速下风洞的数据。(主翼和鸭翼的具体参数我并没有截图)我们能够明显看出,在攻角超过大概33度左右时,鸭面的配平效率显著下降,并且趋势极快
2. 鸭翼不利于隐形。相对于常规布局来说,鸭翼舵面的偏转会对飞机的正向RCS产生较大影响,平尾却不会。因为占位效应,平尾会被前方巨大的主翼遮蔽,而鸭翼前方显然是没有的。

上世纪90年代NASA委托波音做的研究就是这样的,最后一行,全动鸭翼的利弊一清二楚
国内西工大的论文也指出了这点,此图来源于《鸭翼电磁散射特性分析与RCS减缩方法研究》
3. 鸭翼的亚音速机动能力较差,这一点尤其表现在远距鸭翼布局上。我在之前的内容中就说过为了实现鸭翼和主翼的有利干扰,主翼一般选择了三角翼。三角翼的特点就是小展弦比,大后掠角,这种翼型的优势就是超音速波阻较少。
但是这种翼型也有缺点,缺点就是亚音速下的诱导阻力较大,导致升阻比会较低,升阻比低会直接导致飞机的能量机动性较差。
对于远距鸭翼布局的飞机来说,这个问题尤为明显。许多鸭翼机都存在这个问题,台风,阵风均有这方面的问题。台风的解决方法是大推力的发动机,提高自身的推重比。
从这个公式来看,升阻比和推重比对于SEP都很重要,这是定常平飞状态下的能量机动公式
以上就是鸭翼的优点和缺点,远距鸭翼和近距鸭翼各有不同。我想说的是飞机的性能和气动布局相关,但气动布局却不会决定飞机的性能,而且各自的气动布局都有各自的优点。
我举个例子,理论上从气动布局上来讲远距鸭翼+三角翼的布局,是非常擅长超音速的,不仅波阻小,配平阻力也很小。
但F-22通过TVC参与俯仰配平,在超音速下升阻比反而超过了鸭翼+三角翼。这就是典型的气动并不决定飞机性能的典型例子。
第二个问题:为什么中国的飞机大多数都有鸭翼?

J-20就是典型的远距鸭翼+三角翼的布局,所以我个人认为J-20的主要任务是截击
首先这个大多数只局限于战斗机,而且准确的说这个范围只取决于中国自己研发生产的战机。
我个人认为这和我国目的国防需求关系,自开国以来,我国对于DCA(防御制空)的需求一直很高。所以战斗机的研发方向和构面方向一直是偏向于截击方向,苏-27,J-8,J-20都是典型例子。(J-10也可以算,不过自从有了J-20现在在追求J-10对地打击能力)
鸭翼+三角翼正是擅长于截击的布局,台风的也是这样的,为了追求冷战时期快速奔赴战场进行拦截的能力,台风采用与距鸭翼是很正常的,我们国家也是这样的。
虽然台风出现时冷战已经结束了,但是其研发思想是基于冷战时期如何对抗苏联空军
鸭翼的优缺点都有些什么?远距鸭翼的优点:1. 擅长超音速配平。2. 超音速波阻较小。近距鸭翼的优点:1. 鸭翼会增加升力系数。2. 超音速波阻较小。
缺点是:1. 鸭翼的俯仰配平效率较低。2. 鸭翼不利于隐形。3. 鸭翼的亚音速机动能力较差,这一点尤其表现在远距鸭翼布局上。
为什么中国的大多数战机都使用鸭翼?这是因为我国对于DCA(防御制空)的需求一直很高。所以战斗机的研发方向和构面方向一直是偏向于截击方向。

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鸭翼的优势在于配平和涡流耦合,他在超音速以及大仰角飞行中具有明显优势,我国成洛马在鸭翼方面研究相当深

鸭翼的最大优势就在于配平,飞行器在飞行时由于外界气流影响、大气密度变化、飞行速度变化、重心改变(由于油量消耗和投弹等)以及气动舵面调整都会导致飞机力矩的不平衡,需要重新调整平衡,这就是配平。配平也是飞机尾翼和鸭翼的最主要作用,鸭翼本质上就是安装在飞机前面的尾翼。
常规布局飞机由于机首突出,主翼靠前,通常情况下水平飞行也会产生过度的抬头力矩,所以尾翼主要作用是产生向下压的下压力矩进行平衡。而鸭翼布局飞机,主翼位置往往相当靠后,机首产生的抬头力矩无法弥补自身重量,如果没有鸭翼,飞机平飞时前面就要掉下去,所以鸭翼主要是产生向上的正升力进行配平,“抬”着飞机前进,这样一加一减,鸭翼在升力方面就要比常规布局好一些。而且配平力是速度越快、飞机越重,配平力也就越大,鸭翼的升力优势也就越明显。 所以在70年代,美国和俄罗斯研制超音速战略轰炸机时,不约而同的选择鸭翼布局,分别建造了XB-70 女武神和T-4,原因就是看中鸭翼对于超音速飞行的改善作用。同时鸭翼在前,其配平力臂要长很多,同样看上图的XB-70,如果采用常规布局的话,那么需要非常大的尾翼才能有效配平,而鸭翼布局只需要这样较小的鸭翼就可以了。
另一方面作用就是涡流耦合,飞机飞行过程中,翼尖会形成一股强烈的旋转气流,成为涡流。鸭式布局飞机,可以让鸭翼拉出的涡流,冲击主机翼上表面,从而增加主翼升力水平。特别是飞机进行大仰角飞行,复杂机动时主机翼表面气流不稳定时,鸭翼的涡流耦合效果更加明显,这也是鸭翼飞机机动性能要比常规布局战斗机好的原因所在。
在上世纪80年代,鸭翼布局成为航空界的热门选择,他能够满足战斗机超音速性能和高机动的追求。欧洲先后开发台风、阵风和鹰狮战斗机,前苏联进行米格1.44,而美国的ATF计划前期也是一大票鸭翼布局,甚至1989年前外界都认为美国下一代战斗机也是鸭翼布局,因为当时ATF主要强调超音速巡航和超机动能力。

洛克希德马丁公司的ATF计划中早期鸭翼设计,美国空军是在1987年修改指标书,将最低雷达探测面积缩小一百倍,从一平方米减少到0.01平方米,才导致鸭翼设计方案暴死,回到常规布局上。隐身性能欠佳,这也是鸭翼的最大缺点。
洛克希德·马丁公司90年代中期给海军JAST设计也还是使用鸭翼布局,后来JAST并入空军的JAS计划,空军又逼逼一堆隐身要求,逼的洛马改回常规布局,推出F-35。实际上天地可鉴,洛马真的是铁杆的鸭翼布局粉丝,实在是人在江湖,身不由己。鸭翼不利于隐身,最根本的原因在于鸭翼和主机翼不在一个平面,雷达正面照射过来后,在角度适合情况下会导致鸭翼和主翼间形成折射放大雷达反射面。美国曾经试过将鸭翼与主机翼放在同一水平面,即X-36验证机,这样的确可以保证隐身效果。但是涡流耦合没有了,鸭翼拉出的涡流直接冲在主机翼正面,反而大大增加飞行阻力,得不偿失。
我国鸭翼布局战斗机实际上就两种啊歼-10和歼-20,都是成都飞机工业集团(成飞)作品,他在鸭翼方面的研究不仅相当长,而且相当深,真的可以用成洛马来形容。其对鸭翼的研究,始于上世纪60年代末的歼-9战斗机计划,该计划设计指标要求达到双2.6标准,即最高飞行速度超过2.6马赫,最高飞行上限为2.6万米,用来拦截敌方高空超音速轰炸机。当时我国航空发动机水平要想达到这一标准非常困难,前面我们提到鸭翼更利于超音速,所以当时成飞就设计以鸭翼作为主要设计思路,提出多种设计方案。 歼-9战斗机最终在改革开放后空军布局调整而下马,但成飞在歼-9获得研究成果上进行修改调整,从截击机改为高性能战斗机,在空军的10号工程中,击败沈飞的常规布局方案。成为现在的歼-10战斗机,并取得重大成功。 在如何攻克鸭翼布局对隐身不利方面,成洛马也有自己创新。那就时鸭翼上反、主机翼下反,两者近似一个平面,在远端形成高低落的设计。歼-20正面上来看,鸭翼、主机翼、垂尾和腹鳍似乎从一个点向不同方向伸展出来,从而形成类似“千手观音”的局面。 这种布局的实际隐身效果不得而知,但是需要注意的是,波音公司推出的为海军研发志在取代F/A-18E/F的下一代多用途战斗机中,也是采用这种近似一个平面的设计风格。

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气动布局就是指飞机的各翼面,如主翼、尾翼等是如何放置的,气动布局主要决定飞机的机动性.自从莱特兄弟发明第一架飞机以来,飞机设计师们通常将飞机的水平尾翼和垂直尾翼都放在机翼后面的飞机尾部。这种布局一直沿用到现在,也是现代飞机最经常采用的气动布局,因此称之为“常规布局”。 鸭式布局,是一种十分适合于超音速空战的气动布局。早在二战前,前苏联已经发现如果将水平尾翼移到主翼之前的机头两侧,就可以用较小的翼面来达到同样的操纵效能,而且前翼和机翼可以同时产生升力,而不像水平尾翼那样,平衡俯仰力矩多数情况下会产生负升力。早期的鸭式布局飞起来像一只鸭子,“鸭式布局”由此得名。 采用鸭式布局的飞机的前翼称为“鸭翼”。战机的鸭翼有两种,一种是不能操纵的,其功能是当飞机处在大迎角状态时加强机翼的前缘涡流,改善飞机大迎角状态的性能,也于飞机的短矩起降。真正有可操纵鸭翼的战机目前有欧洲的EF-2000、法国的“阵风”、瑞典的JAS-39等,还有如今我国最先进的三代歼击机歼-10。这些飞机的鸭翼除了用以产生涡流外,还用于改善跨音速过程中安定性骤降的问题,同时也可减少配平阻力、有利于超音速空战。在降落时,鸭翼还可偏转一个很大的负角,起减速板的作用。
飞机的设计任务不同,机动性要求也不一样,这必然导致气动布局形态各异。现代作战飞机的气动布局有很多种,主要有常规布局、鸭式布局、无尾布局、三翼面布局和飞翼布局等。这些布局都有各自的特殊性及优缺点。鸭式布局:1.这种布局利用前翼的脱体涡流扫过机翼产生的有利干扰,推迟机翼气流分离,延迟了机翼失速,可获得较大的大迎角升力,减小大迎角阻力,为飞机提供过失速飞行状态时的稳定度。
2.通过和经过气动弹性剪裁后的后掠机翼联用,使机翼产生接近椭圆的展向压力分布,从而减小了飞行阻力。配合大后掠三角翼,近距藕合布局的纵向面积分布较好,机身后部外形光滑流线,超音速阻力小。
3.前翼还可以用作直接控制技术的很有效的操纵面,通过采用主动控制技术,也可以减小鸭翼载荷,对减小配平阻力和提高配平升力有利。同时,鸭翼位置靠近飞行员,有利于低空操纵性,并有利于阵风抑制系统的应用。
4.近距耦合布局特别适宜于和三角翼的机翼匹配,这种布局对重心安排有利,可减小起飞、着陆距离,增加机动能力,以及可减小飞机总体尺寸、减轻重量和降低成本。
鸭翼布局:就像SU-33那样,在驾驶舱后面有一对小的三角翼。 优点:主要是为了特高战斗机的升力,也就是说在相同的跑道距离上,鸭翼布局比常规布局滑跑距离更少;调整气流,提高机动性。 缺点:雷达波反射面积大;对导弹的空气动力方面有些影响;增加战机重量 常规布局:除了主翼和尾翼之外没有任何辅助机翼的布局。 优点:相对鸭翼来讲雷达反射面积较小;重量轻些。隐身性能加强。空空导弹可以更好的识别目标。 缺点:相对不太灵活。

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鸭式布局,是一种十分适合于超音速空战的气动布局。因早期的鸭式布局飞机看起来像一只鸭子,由此得名,前移的前翼也由此而被称为“鸭翼”。

鸭翼的优点

首先,采用鸭式布局的飞机在正常飞行状态下并没有多少优越性,但是当飞机需做大强度的机动如上仰、小半径盘旋等动作时,鸭式布局的飞机的前翼和主翼上都会产生强大的涡流,两股涡流之间的相互偶合和增强,产生比常规布局更强的升力。因此在同等条件下鸭式布局的飞机比传统布局的飞机具有更好的机动性。
其次,鸭式飞机比平尾和无尾布局的飞机更容易实现直接力控制,这对于提高战斗机的对空和对地的作战能力有很大好处,鸭翼差动配以方向舵操纵可实现直接侧力控制,鸭翼加机翼后缘襟翼操纵可实现直接升力控制和阻力调节;
其三,式飞机的低空驾驭性较好,鸭式飞机一般采用大后掠小展弦比机翼,它的升力线斜率较低,鸭翼位置靠近驾驶员,有利于突风缓和系统的应用;

鸭翼的缺点

首先。鸭式布局飞机,由于机翼后缘距飞机重心(CG)较远,如用后缘襟翼增升,则较大的低头力矩会使鸭翼负担过重,导致鸭式飞机起飞着陆性能不好鸭式布局飞控软件设计的难度远在常规布局之上,气动设计上很复杂,涉及大量流体力学计算与实验,所以鸭式布局对于飞控软件设计,对于电传操控,对于航电等都有极高的要求;
其次,鸭式布局的飞机一旦定型,在气动上基本上就很难改进,战斗机以后的升级改造很受限制。比如台风战斗机,它的设计就是围绕着空优进行的,所以当冷战结束,欧洲的安全环境大大改变以后,台风想做多用途战机,进行改进的时候,就远不如阵风这个本来就是以多用途而设计的战斗机了。
其三,鸭翼布局隐身性略差。鸭翼一旦转动,角度就会变化,并且前端有尖锐角,会加大反射,而正常式布局尾翼在主翼之后,正面雷达波照来时主翼可以先反射一部分雷达波,这样照到尾翼上的雷达波比较少,即使尾翼转动,反射的雷达波也很少并且会被主翼后缘挡掉一部分。
其四。前置的鸭翼很容易成为攻击的目标,而一旦鸭翼受损,缺少鸭翼提供的升力,轻者机动性巨降,重者直接失速坠毁。

工业产品其实也是讲究传承有序的,因此每个国家的工业品都会有自己的独特烙印。比如,苏俄的傻大黑粗、德国的精工细作、日本的节省材料。。。。。等等。
战斗机作为工业产品之一,自然也是跳不出工业发展规律的。
我国自1968年歼-9型战斗机项目上马,开始研究鸭翼;再到上世纪八十年代,为了弥补空军现役战机与欧美的差距,而启动的10号工程(歼-10);以及如今,肩负起维护国家主权、安全和领土完整职责的歼-20战斗机。
我国在鸭翼研究方面,已经走过了四十余年,积累了大量设计使用经验和实验数据,已形成了自己的传承。
因此,在新战斗机设计时采用鸭翼布局,也就是自然而然的事情了。

就到这里,各位对此,是否还有其他高见?或者你们还有哪些补充,一起来探讨。
非常欢迎大家来吐槽!!!

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鸭翼的优点是可使主翼上方产生涡流,可提高失速攻角。而缺点为较容易造成不稳定。对于现代中国航空工业来说,航空发动机技术相对比较弱,但是电子系统、风动、控制技术相对比较强,所以采用鸭翼可以扬长避短比较好的弥补飞机飞行性能的不足。

我国设计师比较喜欢鸭翼也是根据我国的技术特点和设计思路而决定的。

鸭翼的优点是可使主翼上方产生涡流,可提高失速攻角。而缺点为较容易造成不稳定。 对于现代中国航空工业来说,航空发动机技术相对比较弱,但是电子系统、风动、控制技术相对比较强,所以采用鸭翼可以扬长避短比较好的弥补飞机飞行性能的不足。 对于美国的飞机设计师们来说,鸭翼的另一个缺点是破坏隐身,但是对于中国来说,我们考虑到在使用鸭翼主要在飞机起降和近距离格斗中,由于飞机起降时候的高度低,隐身问题不突出,而近距格斗就不要在乎隐身能力了,所以保留了鸭翼。


众所周知,鸭翼是飞机机身前端的一个重要部件,起到平衡飞机俯仰的作用。中国和世界上很多军迷极不喜欢鸭翼,而且世界上很多飞机也没有设计鸭翼,这到底都是为了什么呢?为拨开迷雾,本文特地邀请了团队的军事航空专家,进行了专业的解读,寥寥数语之间就能让大家一清二楚。


说起歼20,其独特的两个鸭翼,几乎是每个人所注重的焦点。很多人都对歼20使用鸭翼表示不解,甚至还有人说使用鸭翼特别影响隐形能力。关于这点其实说的一点都没错。美国拥有世界上最强悍的空军,在所有战机当中几乎没有采用过鸭翼这种外形的,唯有俄罗斯的少数战机使用了这款设计。尽管如此,这款设计还是有很多优点的。
在战机外观方面,全球都认可这种鸭翼外形可以使战机得到更强的升力和更优的机动性。为此付出的代价却是,鸭翼将对隐形功能产生部分影响。然而歼20战机之所以使用鸭翼外形,出发点恰恰是为了提升战机整体机动性。

鸭式气动布局也有显著的优点,首先鸭翼能够产生正向升力,增加最大起飞重量时还会缩短起飞距离,其次随着航空发动机的重量与日俱增,常规布局会造成整机重心后移,造成操控性能下降,鸭翼就能克服这一点,最后,鸭翼产生的涡流在经过注意上表面时会提供气流能量,也就是提供额外的升力,提高大迎角飞行性能。
对于现代中国航空工业来说,航空发动机技术相对比较弱,但是电子系统、风动、控制技术相对比较强,所以采用鸭翼可以扬长避短比较好的弥补飞机飞行性能的不足。
对于美国的飞机设计师们来说,鸭翼的另一个缺点是破坏隐身,但是对于中国来说,我们考虑到在使用鸭翼主要在飞机起降和近距离格斗中,由于飞机起降时候的高度低,隐身问题不突出,而近距格斗就不要在乎隐身能力了,所以保留了鸭翼。

所谓鸭翼影响隐身有这几个方面原因:作为静不稳定设计的战机,即使在平飞的过程中,鸭翼或者平尾会根据速度不同带来的气动中心移位而进行偏转来进行力矩配平。鸭翼或者平尾一但发射偏转就会马上增加雷达反射面积,而平尾的优势是链接机体的部件和缝隙有主翼来遮挡,发射偏转主翼也会遮挡一部份反射信号,而鸭翼在最前端最暴露的位置没有遮挡物,自然反射信号比平尾强烈。

因此,我们可以看出,飞机设计包括战斗机设计没有完美。鸭翼在纸面上看挺好,但是它增加了设计的复杂性,罗塔在VeriEze和Long-EZ系列飞机上熟练掌握了这种设计,但是很多飞机的复杂性缺陷抹杀了鸭翼带来的收益。不过,世界上很多先进战斗机都采用鸭翼设计,比如欧洲台风战斗机和歼20,就都是和罗塔一样,熟练掌握鸭翼的是非曲直,能够做到完美地平衡鸭翼的优缺点,保证其良好的空气动力学性能。

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在我国空军三剑客歼-20战机、歼16战机和歼10战机中,歼-20战机和歼-10战机拥有着鸭翼,其中歼-10战机鸭翼在前,在歼-10战机运用多年后,歼-20战机横空出世就拥有着鸭翼。可见,我国空军对独立研发的战机装备鸭翼情有独钟。众所周知,歼-11战机和歼-16战机在气动布局都采用苏-30和苏-27战机结构,由于这两款战机都是俄制战机国产化版本,在气动布局不可能有着根本性改变,而歼-10战机和歼-20战机设计和研发都是我国完全,在设计之处都可以改变。

其实,鸭翼也对歼-20战机和歼-10战机获得优势非常多,特别装备到隐身战机歼-20战机机体上。现在一起看看歼-20战机再有鸭翼后的优势:歼20战机鸭翼给战机提升升力,利用其边条翼,主机翼高度融合,让歼-20战机实现超音速巡航,在大迎角转弯的时候更加顺利,在机动性更加强悍。可见,歼-20战机鸭翼好处很多。

鸭翼好处还不止这些,歼-10战机和歼-20战机采用可操纵鸭翼,有利于建造配平阻力、有利于超音速空战,最重要就是缩短飞机起降距离。而歼-20战机鸭翼布局也可能隐身能力,减少雷达反射面积,迎面雷达波照射之后,可让鸭翼反射波被吸收,减少尾翼雷达波反射,这也是歼-20战机在隐身和气动上取得较好的折中效果。

然而,任何物体都有正反两面,鸭翼战机也是存在劣势,其主要就是在大迎角的时候容易失速,还有就是鸭翼和其他机翼间存在相互干扰。但是,这种缺点跟优点比起来的话,还是微不足道。

歼-20战机首开隐身战机鸭翼先河,如今美俄两国在研制新战机的时候,都不约而同的选择鸭翼布局,俄罗斯和美国第六代战机就选择鸭翼布局。可见,中美俄三国未来战机必将引领全球潮流。

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