J10/J20鸭式气动布局独创的涡流控制技术

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导读:  两种不同机理的鸭式气动布局  鸭式气动布局一般指由前翼和主翼构成的气动布局,它现已成为现代高性能作战飞机广泛采用的一种布局形式。   这种布局从气动原理上有两种类型,一种是前翼只作为操纵面使用,其作用类似平尾,只是位置从飞机的尾部移至飞机的前部,由于它的位置离主机翼较远,前翼和主翼的流场之间的相互影响不大,所以这种布局被称为远距鸭式布局;有时前翼和平尾共存,称之为三翼面布局。   另一种鸭式气动布局的前翼就设在与主机翼很近的前面,所以前翼与主机翼各自的流场会发生强烈的干扰,因此这种布局又称为近距耦合鸭式
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两种不同机理的鸭式气动布局 鸭式气动布局一般指由前翼和主翼构成的气动布局,它现已成为现代高性能作战飞机广泛采用的一种布局形式。 这种布局从气动原理上有两种类型,一种是前翼只作为操纵面使用,其作用类似平尾,只是位置从飞机的尾部移至飞机的前部,由于它的位置离主机翼较远,前翼和主翼的流场之间的相互影响不大,所以这种布局被称为远距鸭式布局;有时前翼和平尾共存,称之为三翼面布局。 另一种鸭式气动布局的前翼就设在与主机翼很近的前面,所以前翼与主机翼各自的流场会发生强烈的干扰,因此这种布局又称为近距耦合鸭式布局。J-10、J-20"战斗机就属于近距耦合鸭式气动布局的发展型。

近耦鸭式布局的固有问题 近距耦合鸭式布局是一种典型的利用涡流提高飞机性能的技术。利用鸭翼的前缘脱体涡在主翼的上翼面处形成有利干扰,产生涡升力,从而提高飞机的性能,特别是大迎角机动性能。 但是这种涡流之间的干扰机理十分复杂,对于前翼的气动参数,特别是前翼与主翼之间的相对位置对飞机的整体流场的影响十分敏感,气动力和气动力矩的变化极为复杂,经常是为了要得到最佳的有利干扰效应要作大量的计算和大量的模型和风洞试验。 鸭式气动布局飞机的一个最头痛的固有问题是,随着迎角的增大,原来附着在机翼上表面的涡流会逐渐飘离机翼表面,涡流强度也会随之不断减小,最终将在机翼后缘附近开始破裂,从而不仅失去了涡升力,同时造成纵向操纵力矩严重的非线性。 高成本的电传操纵技术 可以说,现今世界上已经投入使用的和正在设计中的鸭式布局的战斗机,都或多或少存在着上述的力矩非线性特性,已经成为这种布局难以割去的"顽疾"。 纵向力矩非线性化会给飞行员的飞行操纵带来很大的困难,例如在出现操纵力矩的非线性时,按常规应该是拉操纵杆的操作,却需要推杆,这样反常的操纵规律使得飞行员即使在正常飞行中都很难适从,更不要说在作战情况下了。所以在电传操纵系统技术得以应用之前的相当一段时间里,在战斗机上很少有人采用鸭式气动布局的设计。 现代电传操纵系统技术的应用确实大大推动了鸭式布局的应用。但是一套电传操纵系统的价格十分昂贵,(至少是上千万元),技术又十分复杂,不仅会延长飞机研制周期,提高生产成本,还大大增加了研制风险。 现有的资料表明,现代的鸭式布局战斗机在飞行试验过程中,几乎都发生过因为操纵系统软件问题而引起的故障。 对电传操纵系统的保护也是一个重要问题,不仅要防止受雷电的干扰,还要保证在恶劣电子环境下的可靠使用。 特别需要强调的是,电传操纵系统只是用计算机替代驾驶员来适应飞机的力矩非线性特性,非法性问题至今仍是各国设计人员在设计鸭式布局时千方百计要解决的难题之一,而中国的J-10、J20飞机正是在解决该难题中率先取得了突破。 鸭式布局飞机一般在正迎角的情况下,不论是前翼的前缘还是主翼的前缘,都会因为机翼上下表面的压力差而各自形成一个从前缘卷起的脱体涡流,这些涡流流过主机翼上表面时会形成一个强大的吸力区,从而在机翼上产生明显的升力,这就是一般所说的有利干扰。 只有这个涡流贴近机翼表面,这种升力效应才能充分显示出来;随着迎角的增加,涡流逐渐离开表面,升力效应将逐步减弱。而目前普遍采用的电传操纵系统只能被动地去适应脱体涡的变化,却无法主动地控制脱体涡的生成、发展和破裂。如果能使这个涡流随着迎角的增加,仍然能贴在机翼表面上,那么不仅会继续维持有效的涡升力效应,推迟脱体涡的破裂,还同时使鸭式布局力矩非线性特性得到明显的改善。 这就是采用机身侧板和随动侧鳍这两项技术的设计理念--涡控制技术。 即使在迎角较大情况下,常规鸭式布局的前翼 / 主翼涡流早已离开机翼表面时,J-10、J20 飞机的前翼 / 主翼涡流却能始终贴在机翼表面上,一直保持到比常规鸭式布局涡破裂迎角大得多的迎角。

风洞试验数据表明,采用侧板鸭式气动布局技术和随动侧鳍技术后,飞机升力增量可大大提高。 由一些航空领域的权威人士组成的专家组先后多次对侧板鸭式气动布局技术进行过评审,专家们认为:侧板鸭式气动布局技术是一项创新,突破了国外传统的气动布局方法,由于它解决了传统鸭式布局固有的力矩非线性特性,简化了飞机的操纵,可以不用电传操纵技术,这十分有利于降低战斗机的设计和使用成本,同时保持战斗机的高性能。 专家们认为, 加装侧板的鸭式飞机的其他优势还在于,在跨、超音速范围有较明显的增升减阻、改善鸭式气动布局前翼配平能力和全机纵向力矩特性;可大幅度地提高鸭式气动布局的升力线斜率、最大升力系统和失速迎角,并降低了诱导阻力,提高了升阻特性;在明显改善了鸭式气动布局的纵向力矩非线性的同时抑制了焦点移动;在采用静稳定设计时,可以显著提高鸭式气动布局的配平性能,解决静稳定鸭式飞机大迎角难以配平的关键问题。



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