请选择 进入手机版 | 继续访问电脑版
设为首页 收藏本站
查看: 5426|回复: 15

谈谈鸭翼布局战斗机的气动特点

[复制链接]

6

主题

74

帖子

97

积分

超级版主

Rank: 8Rank: 8

积分
97
发表于 2015-4-11 20:14:25 | 显示全部楼层 |阅读模式



飞机姿态控制包含俯仰(pitch)、滚转(roll)与偏航(yaw)方向,其中俯仰方向安定性和操控性是对飞行安全最重要的飞控参数。如果以俯仰控制面安装位置对飞机分类,则可分为鸭翼(canard,法文鸭子的意思,来源于法国报纸对莱特兄弟飞机的描述)、水平尾翼(horizontal tail)、无尾翼(tailless)以及同时安装鸭翼和水平尾翼的三翼面(three surface)布局。鸭翼布局虽然具有较佳升力特性,但如果未能妥善处理好鸭翼涡流与主翼、机身及垂直尾翼流场间的交互作用,将对飞行稳定与姿态控制产生不良影响。但这个缺点在近距耦合概念诞生,并结合线传飞控系统后已经得到改善,诞生了几种成功的鸭翼战斗机。本文从气动力学的观点出发,在不考虑飞控系统与推力矢量控制运用的成熟性、结构负荷极限、战场场景想定与战术运用等外在因素的情况下,对鸭翼布局的气动特点进行初探。
前言
人类第一架载人动力飞机“飞行者”号采用的就是鸭翼布局,该布局与水平尾翼布局相比,具较佳的升力特性,所以在飞机早期发展史上也能偶尔见到鸭翼布局战斗机。但因为鸭翼布局复杂的气动特性,特别是缺乏足够的纵向恢复力矩,所以虽然最早运用在飞机上,却没有被后续战斗机普遍运用,水平尾翼布局反而成为“传统布局”。随着线传飞控系统的诞生,因鸭翼与主翼间复杂气流交互作用导致的操控问题得以解决,推力矢量控制进一步解决俯仰方向控制。欧洲和中国的新一代战斗机,因侧重瞬间转弯能力以及短场起降需求,多采鸭翼布局设计,而美俄则继续坚持传统布局战斗机。显见两种布局各具优点,使设计人员于在不同设计考虑下,在两种迥异的气动外形下,依据战场环境与作战需求设计出各自的性能优异的战斗机。

本帖子中包含更多资源

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?注册三体网

x
回复

使用道具 举报

6

主题

74

帖子

97

积分

超级版主

Rank: 8Rank: 8

积分
97
 楼主| 发表于 2015-4-11 20:18:01 | 显示全部楼层
本帖最后由 皮卡 于 2015-4-11 20:22 编辑



鸭翼的操纵特性
鸭翼布局最引人注意的优点就是良好的升力特性,因为是以正升力形式进行姿态控制。以上仰动作为例:传统布局是由水平尾翼以负升力方式产生抬头力矩,整体而言,水平尾翼完成抬头动作时将损失总升力,因此会降低战斗机的最大起飞重量,增加起飞距离。鸭翼则以正升力形式使机鼻上仰,所以鸭翼可以增加总升力,增加战斗机的最大起飞重量,缩短起飞距离。

本帖子中包含更多资源

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?注册三体网

x
回复 支持 反对

使用道具 举报

6

主题

74

帖子

97

积分

超级版主

Rank: 8Rank: 8

积分
97
 楼主| 发表于 2015-4-11 20:20:14 | 显示全部楼层



鸭翼的另一个优点是,由于战斗机为对发动机推力需求与日俱增,导致发动机重量随之增加,传统布局会造成飞机重心后移,缩短水平尾翼力臂。如果把水平安定面安装在主翼前方成为鸭翼,就会有较长力臂,可提升操控性。
由于鸭翼在主翼之前,鸭翼偏折会改变气流,影响主翼流场,所以鸭翼的安装位置和动作形式都应慎重考虑。以较早期的鸭翼战斗机——瑞典SAAB-37“雷式”(Viggen)为例,鸭翼是固定式,后缘加装副翼。而以色列的“幼狮”(Kfir)战斗机更是安装了完全固定的鸭翼,此类鸭翼的作用与机翼前缘边条(leading edge extend, LEX)相似,不能被视为气动控制面。固定鸭翼激起的涡流通过主翼上表面,提供气流能量,增加机翼升力,推迟气流分离,提高大迎角飞行性能,改善纵向稳定性。虽然固定鸭翼没有完全发挥鸭翼的优点,但已经使这两种战斗机的性能优于同时期战斗机。与同为三角翼、无水平尾翼设计的F-106和传统布局的F-4比较,SAAB-37具较佳升力系数与降落性能。

本帖子中包含更多资源

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?注册三体网

x
回复 支持 反对

使用道具 举报

6

主题

74

帖子

97

积分

超级版主

Rank: 8Rank: 8

积分
97
 楼主| 发表于 2015-4-11 20:23:58 | 显示全部楼层



鸭翼与哪种外形的主翼匹配最好呢?由于后掠翼的失速是从翼尖发生,鸭翼产生的涡流对延缓该处流场分离的帮助不大,所以后掠翼和梯形翼大多以前缘边条或锯齿产生涡流,推迟气流分离的方式来提高大迎角操控性,所以一般不会采用鸭翼-梯形翼或鸭翼-后掠翼的匹配方式。鸭翼大多会与三角翼和前掠翼匹配,产生的涡流能推迟这两种机翼的大迎角失速。试验表明鸭翼还能降低前掠翼根部的超音速激波强度,减轻翼根气流分离情况,但因为前掠翼仍无法克服材料特性与战损容许能力问题,并未用于真正的战斗机设计上,所以本文仅对鸭翼-三角翼布局进行探讨,在讨论前我们需要先了解一下三角翼的气动特性。

本帖子中包含更多资源

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?注册三体网

x
回复 支持 反对

使用道具 举报

6

主题

74

帖子

97

积分

超级版主

Rank: 8Rank: 8

积分
97
 楼主| 发表于 2015-4-11 20:25:22 | 显示全部楼层
本帖最后由 皮卡 于 2015-4-11 20:30 编辑



三角翼的气动特性
在追求战斗机高速性能的时代,无尾三角翼设计曾是各国竞相采用的设计。在结构上三角翼极长的翼弦可以使用简单的结构把力量均匀分布在机身,也使机翼厚度由尖锐的前缘经较长距离过渡至较厚的翼根,兼顾低阻力与高结构强度,并获得充足的机翼油箱空间,并提高战损容忍度。大后掠角的机翼前缘可躲在机鼻形成的马赫锥后,减少超音速阻力,在发动机推力不足却需追求超音速能力的年代深具价值。无水平尾翼的设计可省去驱动水平尾翼的致动器与支撑结构,并减少水平尾翼的表面阻力,使战斗机得以充分发挥高速性能。大翼面积获得低翼载,保证了较佳的瞬时转弯速率。

本帖子中包含更多资源

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?注册三体网

x
回复 支持 反对

使用道具 举报

6

主题

74

帖子

97

积分

超级版主

Rank: 8Rank: 8

积分
97
 楼主| 发表于 2015-4-11 20:26:29 | 显示全部楼层



随着迎角持续增加,主涡流将向内侧移动,涡流核心(vortex core)逐渐扩大,涡流变得不安定而崩溃,低压区随之消失,紊流漩涡(turbulent eddy)出现,此时升力降低,失速现象发生。所以大后掠角三角翼失速的原因并非上翼面气流分离所致,而是涡流不稳定崩溃后,上翼面低压区消失所致。涡流溃散的时机可分为左右对称或单侧发生,如为单侧涡流溃散将影响滚转(rolling)方向的稳定性。上述分析并未考虑前缘襟翼对主翼流场的影响,一般来说,三角翼的前缘襟翼可在大迎角时增加战斗机的稳定性,低迎角时增加升力。

本帖子中包含更多资源

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?注册三体网

x
回复 支持 反对

使用道具 举报

6

主题

74

帖子

97

积分

超级版主

Rank: 8Rank: 8

积分
97
 楼主| 发表于 2015-4-11 20:27:32 | 显示全部楼层
本帖最后由 皮卡 于 2015-4-11 20:28 编辑



在三角翼之前安装大后掠角鸭翼,就能在大迎角时产生强劲的涡流,与主翼的涡流产生交互作用,稳定涡流核心,延缓主翼失速的发生,提升大迎角性能。可变偏角鸭翼一方面可以引导气流以较佳角度进入主翼流场,并且能调整涡流的角度与强度,实现涡流控制的最佳化。固定边条产生的涡流因无法控制涡流强度,只能用其它气动控制面配合变化,在效率上远不及鸭翼。在大迎角时,垂直尾翼因笼罩于机身扰流中,降低了偏航方向控制效率,通过鸭翼差动控制可弥补偏航方向姿态控制效率的损失。三角翼因不易配平增升装置(如襟副翼)等所产生的低头力矩,也因可以鸭翼配平后,得以装用。此外在降落后通过加大鸭翼偏角,使之成为大型减速板,又可在不增加刹车系统负荷情况下,大幅缩短刹车距离。鸭翼有这么多气动控制优点,那为什么直到20世纪80年代后才逐渐被普遍运用在战斗机设计中呢?主要原因就是鸭翼复杂的气动特性。

本帖子中包含更多资源

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?注册三体网

x
回复 支持 反对

使用道具 举报

6

主题

74

帖子

97

积分

超级版主

Rank: 8Rank: 8

积分
97
 楼主| 发表于 2015-4-11 20:30:09 | 显示全部楼层



鸭翼的气动特性
由于鸭翼以正升力方式进行姿态控制,大迎角飞行时不易产生足够的低头配平力矩。在先天稳定设计中,鸭翼在大迎角时会比主翼先失速,此时鸭翼产生的升力减少,产生低头力矩而降低迎角,使飞机自然维持姿态稳定。但对追求灵活性而以先天不稳定性设计的飞机来说,鸭翼在亚音速时的配平能力往往不如水平尾翼,原因是为了使鸭翼对主翼流场的影响程度降至最低,鸭翼的翼展与面积比传统布局战斗机的水平尾翼小,距离飞机重心位置也较短,所以产生的配平力矩较小,需综合运用其它控制面才能发挥鸭翼的配平特性,这将增加飞行控制的复杂性。如在低速飞行需增加升力时,传统布局飞机可以放下襟副翼等高升力装置,此时升力增加伴随产生所谓低头力矩可以水平尾翼配平,水平尾翼配平时并不影响主翼流场。但如以鸭翼进行配平,鸭翼偏折时尾流的变化将改变主翼气流分布,影响主翼升力,使姿态控制复杂化。鸭翼动作与主翼气流间复杂的交互关系,使其纵向力矩为非线性变化,单凭人类的反应速度很难驾驭飞机。如果采用较保守的设计方式,如较小的鸭翼面积或固定式鸭翼,就不能完全发挥鸭翼的优点。解决方法是通过线传飞控计算机对气动控制面进行最佳匹配;同时加大鸭翼面积(主翼面积的8%~15%)来增加控制效率;采大后掠角、低展弦比的翼形设计,使其不易失速并易于产生稳定的强涡流,利于应用涡流控制技术。但这样也不能保证鸭翼布局战斗机的机动性优于传统布局战斗机,在传统布局F-18战斗机和鸭翼-三角翼X-31验证机进行的机炮格斗模拟实验中,在不开矢量推力的情况下,16次格斗F-18赢了12次。鸭翼布局并非格斗胜利的保证,良好设计的传统布局战斗机仍可发挥出优于鸭翼布局战斗机的整体机动性。

本帖子中包含更多资源

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?注册三体网

x
回复 支持 反对

使用道具 举报

6

主题

74

帖子

97

积分

超级版主

Rank: 8Rank: 8

积分
97
 楼主| 发表于 2015-4-11 20:31:50 | 显示全部楼层



我们在前面对三角翼大迎角流场特性的探讨中可以知道,善加利用鸭翼产生的涡流,可延缓主翼表面气流分离,进一步提升大迎角能力。但此涡流也可能影响其它控制面的流场,对外侧主翼而言,涡流引起的上洗气流将增加该处区域迎角(local angle of attack),而使此处气流提早分离,如恰好在副翼位置发生分离,就会降低副翼的控制效率。涡流引起的下洗气流则会降低内侧主翼的区域迎角,降低影响范围内机翼产生的升力。在大迎角侧滑时,如果鸭翼产生的涡流正好在垂直尾翼处破碎,将造成垂尾颤振,造成横向控制问题与结构疲劳的潜在危险。所以鸭翼涡流在主翼面上的生成、发展、破裂与飘移等特性都将影响飞机的升力、纵向与横向控制。影响涡流崩溃时机的因素有迎角、侧滑角与滚转角,但并非所有鸭翼布局的飞机都会遭遇相同问题,妥善的设计可降低上述问题的影响程度。
鸭翼涡流也会影响主翼升力分布,增加结构设计的复杂性,通过主翼扭转(twist)可抵消此效应。翼面扭转在战斗机设计中通常指气动扭转机翼(aerodynamic twisting wing)设计,机翼沿翼展方向采用不同翼型(airfoil),利用不同翼型的迎角与对应升力系数的差异性,使受涡流影响的部分与未受涡流影响的部分可依预期结构设计在机翼上妥善分布升力。更进一步的设计还可把预期的巡航条件纳入考虑,使战斗机可无需或仅以少量控制面偏量就能维持巡航姿态,减少配平阻力,增加巡航效率。

本帖子中包含更多资源

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?注册三体网

x
回复 支持 反对

使用道具 举报

6

主题

74

帖子

97

积分

超级版主

Rank: 8Rank: 8

积分
97
 楼主| 发表于 2015-4-11 20:33:26 | 显示全部楼层



鸭翼布局的缺点
近距耦合与线传飞控使鸭翼布局的气动力优点得以发挥,但仍然需要考虑其先天具有的缺点。一般来说鸭翼布局战斗机的垂尾面积与高度都超过传统布局战斗机,这是因为鸭翼涡流会干扰垂尾附近流场,影响纵向稳定,此外还因为垂尾离重心较近,力臂较短,需较大面积才能产生足够的纵向控制力矩。还有的设计为了确保大迎角时的横向稳定性,在机腹加装腹鳍。高耸的垂尾会增加结构重量、阻力和雷达反射截面积。

本帖子中包含更多资源

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?注册三体网

x
回复 支持 反对

使用道具 举报

快速回复 返回顶部 返回列表