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剪水鹱的博客

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高性能鸭式战斗机  

2016-11-27 20:18:51|  分类: 推荐阅读 |  标签: |举报 |字号 订阅

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原文遭系统强行屏蔽,乃重发之...

美军为何不待见鸭式战斗机? - puffinus - 剪水鹱的博客
美军为何不待见鸭式战斗机? - puffinus - 剪水鹱的博客

被拜鹰兔们奉为圭臬的所谓鸭翼最好放在敌机上的说法源自 F-16 研发过程,针对的是通用动力 772 号方案 (上,乍看之下有几分 J-10 的味道美军为何不待见鸭式战斗机? - puffinus - 剪水鹱的博客)。70 年代初高性能战斗机刚刚开始利用涡升力现象提高大迎角机动飞行时的升力系数,鸭翼为固定式以规避全动鸭翼与主翼之间的涡流场非线性耦合 (当时无论是空气动力理论水平还是电传飞控系统的信号处理能力皆无力应对这一棘手问题),772 方案的近耦合固定鸭翼俯仰控制权限远低于 J-10 的全动鸭翼,主要起到固定的涡流发生器作用。相比之下,放宽静稳定度后的 F-16 采用全动平尾获得了更大的俯仰控制权限,以边条翼实现了涡流发生效果,展弦比较大,前缘后掠角相对温和的梯形翼亚音速诱导阻力小,机动飞行时能量流失较慢,中单翼易于实现翼身融合,获得减阻减重增升增容的多重收益。理论上 772 的大后掠鸭翼超音速性能更好,但常规布局方案重量较轻,推重比高,部分抵消了 772 的超音速气动性能优势,况且皮托管进气道在马赫 1.5 以上情况下总压恢复急剧下降,772 的高速性优势实际上无从发挥。本质上 F-16 围绕高亚音速咬尾格斗设计,强调中空高亚音速持续转向率和敏捷性,常规布局对前者有利,放宽静定度加力臂较长的全动平尾对后者有利。772 的超音速性能整体而言与 F-16 相当,亚音速瞬时转向率 (取决于最大升力系数和俯仰控制力矩) 很难占到上风,亚音速持续转向率明显不如 F-16,敏捷性亦因横滚率较低 (非全动鸭翼控制权限不足,副翼力臂较短) 而无法与 F-16 竞争,空重和复杂性 (源自鸭翼与主翼的相互干扰) 则均高于 F-16,遭到通用设计团队排斥是理所当然的,但这并不意味着鸭式布局天然地不如常规布局,而是反映了时代的局限。

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萨伯 37 “雷神之锤” 是涡升力崭露头角之时设计的鸭式战斗机,采用大型固定鸭翼作为涡流发生器以提高短距起降性能,为减少鸭翼下洗流对主翼(非涡)升力特性的影响,将主翼内侧切去一刀。

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犹太国的 “幼狮” Kfir 以简单的小型固定鸭翼作为涡流发生器,改善了其低速性能,该机鸭翼与主翼在垂直投影面上部分重合的设计对后来的 “少狮” Lavi 造成了极为恶劣的影响。

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被众多软骨兔认作 J-10 爸爸的 Lavi 打击战斗机,其超近距耦合鸭式后掠翼设计实乃航空史上之奇葩。受到鸭翼下洗流影响,主翼内段局部有效迎角显著下降,却未采取切角 (萨伯 37) 或大幅度向上扭转 (J-10) 的措施加以补偿,大迎角飞行时将出现提供大部分升力的主翼内段尚未失速,安装着副翼,负责横滚控制的外翼段即已失速的糟糕情况。此外后缘襟翼和鸭翼的纵向操纵力臂皆偏短,高升力系数大迎角飞行时将难以产生足够的低头力矩,一旦失速即无法改出,难怪可用迎角受到严厉限制。幸好 Lavi 最终胎死腹中,否则多半成为又一个寡妇制造者,J-10 要是山寨这玩意,那......美军为何不待见鸭式战斗机? - puffinus - 剪水鹱的博客

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从雷达隐形角度考虑,气动控制表面越少越好,何况力臂极长且处于干净流场中的蝶形尾翼无论在 1.5-1.8 马赫的超音速超视距空战,还是 0.8-0.9 马赫 (2 马赫级超音速战斗机持续转向率最高的速度段) 的亚音速格斗空战中均具备足够的控制权限,只是无法满足所谓 60 度迎角可控的过失速机动性要求而已。过失速机动只能在长时间反复缠斗,空速已降至极低水平后才可能实施,由于惯性的存在,拉机头改变的只是飞机的姿态而非飞行方向,若在高速飞行时突然大角度拉起,巨大的气动压力将瞬间令战斗机四分五裂,离谱的负向加速度亦会使飞行员化为肉泥。就算战机及其驾驶员得以生还,在强烈侧风环境中发射的格斗导弹也无法正常工作,离开发射轨道后不撞上载机就属万幸了。过失速机动性唯一的战术价值在于低速火炮格斗,除了看空战烂片至大脑化为浆糊者之外没人会去干这种傻事。 

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风险最低的方案当然非常规四尾的 F-22A “猛禽” 莫属,常规平尾超音速俯仰控制能力不足的问题依靠已在 F-15 技术测试平台上玩得烂熟的推力矢量得到解决,注意上图中超音速机动飞行,矢量喷管小幅度向上偏转的 F-22A。“猛禽” 的基本气动布局完成于 386/486 时代,机头涡加边条涡已经够麻烦的,弄成类似于 J-20 的鸭式布局非得让洛克希德-波音-通用动力的技术人员集体吐血不可。正如同阳顶天内力不足强练乾坤大挪移乃自取其辱,在计算流体力学尚不成熟,电脑运算能力亦颇为有限的 80-90 年代,J-20 的先进鸭式即使对技术积累深厚的 MD 而言也属心有余而力不足。某种程度上可以认为 MD 实力太强,每代战斗机皆先人一步,因此在研制第三代战斗机时错过了大幅度放宽静稳定度加全动鸭翼的浪潮,到了四代机再次由于前进速度太快而未能等到以 J-20 为代表的先进鸭式布局瓜熟蒂落。

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美版 J-20 对 ATF 项目时的 MD 航空企业而言,非不为也,实不能也。何况 J-20 超音速机动性较蝶形尾先进常规略胜一筹,超音速巡航性能则稍有逊色,低可观测性与 “黑寡妇” II 和假想中的成熟版波音 ATF 相比则存在比较明显的差距,发动机技术领先且优先关注密布传感器的欧洲战场的 MD 若真要发展 “五代半” 型号,也将选择 F-23 或波音方案而非先进鸭式 (J-20 隐形性能与 F-22A 相当,超音速持续机动时的等效升阻比具备接近 25% 的优势,若以 “猛禽” 为五代标杆,则 J-20 绝对有资格列为五代半型号)。

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60 度迎角非矢量可控最早是毛子在 SX “重四” 项目中提出来的,这帮家伙们被 MD 忽悠得不轻。

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T-50 PAK FA 继续在偏执追逐亚音速和过失速机动性的错误道路上越走越远,其高空超音速推重比需达到全状态版 J-20 的 140% 才能获得相同的持续转向率。

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STOVL 构型的 JAST/JSF 在座舱后方配备巨大的升力风扇,如果采用常规构型则将在横截面积曲线上造成明显的 “驼峰”,严重影响跨/超音速性能。而采用鸭式布局,将主翼位置向后移动,则可有效解决这一问题。洛马最终放弃鸭式,回归常规路线,主要因素并不是某些人 想象的 “鸭式不隐形”,而是为了实现三军通用。海军型 JSF 为满足低速性能要求,机翼面积显著高于空军和陆战队型,常规构型能较为便利地实现机翼的放大,这是鸭式布局无法做到的 (需仔细权衡鸭翼与主翼的大小和相对位置,确定之后即难以变动)。鸭式战斗机于是再次与美军无缘。

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欧洲双风是回避矛盾的典型案例。“台风” 采用高速式鸭翼布局,超音速机敏性好,依靠较大的推重比和固定涡流发生器保证亚音速机动性。“阵风” 采用高升式鸭翼布局,亚音速升力系数较为出色但超音速升阻比不好,马赫 1.6 时的持续转向率很难超过典型的重三制空战斗机。

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J-10 的中耦合鸭翼兼顾俯仰控制和涡流发生,虽然与台风相比力臂较短,但依靠面积较大, 展向变弯度从而升力系数较高,且处于主翼上洗流场之中,升力效率出色的鸭翼,获得了颇为出色的超音速俯仰控制权限,并以进气道斜板 (J-10A) 和鼓包 (J-10B) 的超音速激波升力为鸭翼卸载,高速性能丝毫不弱于鸭翼力臂更长,整机推重比更高的“台风”。较大的鸭翼也确保了中距耦合状态下足够强大的涡流发 生与控制能力,鸭翼下洗流对主翼的不利影响通过大幅度展向扭转主翼 (机翼扭转很常见,J-10这么大幅度,加工难度不低的扭转则颇为罕见),提高内翼段迎 角得以解决,较大型的鸭翼更可通过对涡流场的主动控制,实现偏航操纵。J-10 和“台风”典型空战挂载时 (前者为 2 + 2,后者为 4 + 2) 的超音速升阻比很可能不低于 4.0,且与 J-20 类似,高 G 超音速机动时不存在常规布局战斗机以负升力/矢量推力压尾造成的等效推力损失,高速飞行性能 (横滚率,敏捷性,瞬时及持续转向率) 皆显著优于典型三代机。J-10 的超音速飞行性能和亚音速机敏性均非 “侧卫” 所能及,在模拟空战中屡次杀得 “侧卫” 丢盔弃甲实非幸至。与 J-10 相比,“侧卫” 的唯一优势在于亚音速持续转向率更高,如果 J-10 飞行员白痴地与 “侧卫” 进行咬尾格斗,且拒绝发挥 J-10 出色的敏捷性,则 “侧卫” 将漂亮地赢得胜利,实战中发生这种情况的可能性是...零。
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