关于问题鸭翼布局升力明显,操控灵活,为何美国战机都不用?一共有 2 位热心网友为你解答:
【1】、来自网友【历史小挖客】的最佳回答:
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。
但这决不是说我们自己的歼-10 和歼-20 就不好,
我们的设计师肯定会有自己的想法——
也许我们已经解决了鸭翼对隐身的影响,也许我们还有融合了很多更好的想法,也许是要回避一些我们经验覆盖不到的问题。相信既然我们选择了鸭翼,那就肯定就是目前我们最好的选择
!
【2】、来自网友【海事先锋】的最佳回答:
美国也曾经在 F15 战机上测试过鸭翼,但是美国空军的发展思路和其他国家不同。美国是一个在全球都有战略利益的超级大国,美国空军的战机除了要先进之外,非常重要一点就是得多,比如美国就服役了 1200 多架 F16 战斗机,近 1000 架 F15 战斗机,就连 F35 五代隐身战斗机如今都服役了 400 多架,要知道俄罗斯的四代机才 600 多架,即便是世界空军第二的我国,四代机也只有 1000 架左右,五代机也才 30 架左右。
上图为伊拉克战争时期的美国空军基地,下图为美国“飞机坟场”,美国要生产大量的战机满足自己在全球争夺优势的需求。
战斗机的数量多才能在全球任何地区发生危机时快速抵达战场,才能在全球大量的空军基地进行部署,才能同时满足全球不同战区的作战需求。要让战斗机数量规模大,需要两个必要条件:便宜、技术成熟。只有便宜才能大量的服役,这个道理非常简单,而只有技术成熟可靠,才能让战机不至于有明显的短板,或者技术的风险,才不至于让数千架战机同时暴露问题,又无法弥补。对于美国空军而言,一架战机要先进,但是不需要太先进,成熟可靠就是最好的。
图为 F16 战机,他是世界上生产数量最大的战机,达到了 4000 多架,出口到数十个国家。
但是对于其他国家而言却不是这样,其他国家,比如中俄英法等其他军事强国,国防建设必须要有侧重,因为国家的实力不会让空军发展能够面面俱到,能够适应全球不同的作战环境,这些国家研发的战机必须要够先进,因为只有技术前卫才能对抗更强的敌人,只有技术前卫才能确保不会很快落伍,才不需要经常进行升级和更新,所以这样的战机需要设计更加激进,才能符合他们的要求。
图为 F15“鹰”式战斗机,是世界上最早的第四代重型战机,也是常规布局。
而鸭翼对于战机而言,就是一种激进的设计。鸭翼是一种不稳定的气动设计,为一架飞机增加鸭翼可以改善他的飞行性能,但是也会扰乱飞机的各个翼面的气流,如果把这些气流控制不好,飞机就会面临风险。鸭翼的作用有很多,首先就是改善配平,现代战机的发动机都在机尾布置,而且是整个飞机上单系统重量最大的部分,飞机的重心也因此非常靠后。对常规布局战斗机而言,其主翼已经在机体中部,尾翼已经到了机尾,尾部重量更大。
图为美国空军 F35A 战机群,美国已经服役了 400 多架 F35 战机。
为了在飞行中克服重心靠后带来的机头上扬,战机在飞行中必须要让机尾产生负升力,这样才能确保飞机的飞行平稳,但是这样就牺牲了发动机的推力以及主翼产生的升力,最后导致战机机动性的下降。而鸭翼则让战机的主翼在中,鸭翼在前,加上鸭翼控制的机械部分,起到了对发动机的配平作用,飞行中,鸭翼和主翼都是产生升力的部分,飞机的机动性更好。
图为俄罗斯苏 30SM 重型战机,上图可见其鸭翼拉出的涡流。
另外,鸭翼可以产生涡流,涡流作用在主翼表面上,可以降低主翼上方的气压,降低主翼的翼载荷,在飞机进行大仰角飞行时,飞机可以更加快速的变更机头的指向,机动过载系数更大。战机的稳盘、瞬盘和爬升率等基本战术数据也会有较大的改善。但是鸭翼也有问题,鸭翼的控制非常复杂,一旦飞行中对飞机的姿态判断错误,鸭翼控制错误,那么会让飞机陷于危险之中。
图为英国 EF2000“台风”战斗机,使用远距离耦合鸭翼技术,对飞机的配平作用更明显,有助于高速飞行。
而且鸭翼拉出的涡流是一种被扰乱的气流,过去经常会有战机因为主翼涡流而陷入失速状态,如果控制不好飞机马上就会掉高度,如今使用鸭翼的战机有很多就是因此坠毁,故障发生率比常规布局战机要高很多,所以鸭翼是一种有风险的设计,但是对于先进战机数量有限的国家而言,这样的设计又是提升飞机性能的必要措施。
图为法国阵风战机,使用近距耦合鸭翼技术,拉出的涡流更大更明显,有助于进行大过载机动。
最后,美国空军有更大推力的发动机,比如美国的 F22A 使用的 F119 发动机,单发推力为 15.5 吨,F35 战斗机使用的 F135 发动机推力为 18 吨。其他国家方面,俄罗斯现役推力最大的发动机是苏 57 使用的 117S 发动机,推力为 14.5 吨;我国现役推力最大的发动机是国产的 WS10B 发动机,装备在歼 20 上,推力为 14 吨;英国空军现役推力最大的发动机是 EF2000“台风”战机使用的 EJ200 发动机,推力是 9 吨;法国空军现役推力最大的发动机是“阵风”战机使用的 M88-2 发动机,推力为 8.8 吨。
图为歼 20 战机,他使用鸭翼也是为了进行高速飞行所需。
由此可见,美国战机无需使用鸭翼就可以依靠发动机的大推力取得比较好的机动性,这就让美国无需为了鸭翼而冒险,所以美国最终放弃了鸭翼战机。