航空知识特稿:歼10气动布局特点及战斗性能分析

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国产歼10双座型战斗教练机


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静安定度的后尾式、无尾式和鸭式飞纵向配平方式的示意图

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文/傅前哨


歼一10战斗机采用了鸭式气动布局,这在我国研制成功的战斗机中还是首次。在世界战斗机的大家庭中,有一些比较先进的战斗机也采用了类似的布局,如瑞典的Saab一37“雷”、JAS 39,法国的“幻影”ⅢNG、“幻影”4000、“阵风”,以色列的“幼狮”C2、“狮”,俄罗斯的米格1.44以及西欧四国合作研制的EF2000“台风”等等。随着航空技术的深入发展,新型鸭式战斗机方案不断出现,并跻身先进战斗机的行列。那么,鸭式布局战斗机有些什么特点,其气动特性又如何呢?


高低速性能好


采用后尾式和无尾式气动布局的普通高速飞机,由于种种原因,其低速性能往往不佳。而鸭式布局则可以满足战斗机对高、低速。性能的要求。因为这种布局能很好地兼顾高速飞机所需的细长体外形和飞机实现短距起落所需的高配平升力系数。这是因为:一方面,细长鸭式布局在由亚声速过渡到超声速时,其焦点移动而引起的安定度增量比后尾式要小,这对高速机动飞行是有利的。另一方面,在大迎角进场或飞行时,它又能产生比后尾式和无尾式飞机高得多的配平升力。这说明它亦适合低速飞行。


配平升力高


图一是静安定度的后尾式、无尾式和鸭式飞机纵向配平方式的示意图。飞机在空中做定常水平飞行时,其重力与升力,推力和阻力是相等的,全机力矩也是平衡的。为获得配平力歼一10A用的鸭式布局方案虽然在中国早期歼一9概念中曾有过体现,但其中涉及的诸多技术问题是在歼一lO上获得了最终的完美解决刘应华摄矩,无尾式及后尾式飞机需要付出一定的升力代价。在飞行中,机翼的升力Y及全机零升力矩Mzo对飞机重心要产生一个低头力矩。为平衡这个力矩,无尾式飞机要上偏升降襟翼,后尾式飞机要上偏转升降舵,以便产生一个负升力去配平,致使全机升力下降。当然,小迎角飞行时平尾的负荷不大,它付出的升力代价也很小。但是当飞机以大迎角飞行,并采取增升措施时(例如放襟翼)形势就恶化了。因为增升时会带来很大的附加低头力矩。为配平这些附加力矩,平尾后缘必须上偏很大的角度,这将使增升效果显著降抵。倘若机翼采用高度增升的方法。有时连配平都很困难了,只好在平尾上采取高度增加负升力的措施。国外不乏这方面的例子。美国的F一4飞机由于在后缘襟翼上采取了附面层控制技术,使低头力矩增加很多,结果尾翼在配平时已接近失速,只好对平尾进行修改,使前缘上翘,将翼型变为反弯度的。而日本的PS一1水上飞机则是在尾翼下表面吹气以增加负升力。后尾式布局尚且如此,无尾式飞机配平高升力就更困难了。


相比之下,鸭式布局比后尾式及无尾式布局优越之处在于:其抬头俯仰力矩可由飞机重心前的正升力面(鸭翼)提供。这真是一举两得:既提供了配平力矩,又增加了升力。那么为什么以前人们很少采用鸭式布局呢?这是因为常规的鸭式飞机有三大缺点:(1)前翼对主翼存在着强烈的下洗,使主翼升力降低。尽管前翼的升力是正的,弥补了部分升力损失,但配平时的总升力不见得比后尾式高很多。(2)鸭式布局配平问题不好解决。一般情况下。鸭翼的负荷要比尾翼大,往往为尾翼的3~4倍。因为把鸭翼放到前面,全机焦点随之前移,重心也需向前调整。这样鸭翼离重心的位置近,力臂短,使它的配平能力受到限制。再加上主翼对前翼有上洗,在大迎角时前翼容易先失速。这对起飞着陆和大迎角机动来说是不利的。直到上世纪60年代末瑞典人研制成功Saab一37飞机后,这些缺点才得到了一定程度的克服。作为M数为2一级的飞机,Saab一37没有采用复杂的增升措施就使起降距离缩短N400多米,达到了短距起落的要求。这一成就引起了国际上的广泛注意。Saab一37采用的是近距耦合鸭式布局,利用前后翼间脱体涡的有利干扰实现了高升力。(3)由于脱体涡在主翼面上的生成、发展、破裂和漂移对飞机的升力和纵横向的力矩特性影响很大,使得纵向力矩曲线出现极严重的非线性化,并导致了飞机的操稳品质变差。为了解决这一问题,常规鸭式布局飞机不得不增大飞机的安定度,以求得纵向力矩曲线变得较直。这样一来,飞机的配平阻力增大,前翼的配平能力减小,导致飞机的机动性和起降性能变差。


解决的办法之一是采用电传操纵系统,放宽静稳定性。


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