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帖子主题:全球五代机只有中国用鸭翼,优点很明显,为何美俄敬而远之?

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全球五代机只有中国用鸭翼,优点很明显,为何美俄敬而远之?

2020年02月03日 16:21:47

来源:每日点兵

作为中国军工性能颜值双担当的20姬,却始终因为鸭翼遭到不少吃瓜群众的诟病。

全球五代机只有中国用鸭翼,优点很明显,为何美俄敬而远之?

▲稍微百度一下,就有一堆关于歼20鸭翼不行的相关搜索

有些人认为歼-20的鸭翼是一个失败设计。

理由也无非是上图提到的那些,什么“发动机性能不足的替代方案”“破坏隐身”“美俄五代机都不用鸭翼,所以鸭翼”不好这几种。

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▲歼-20是唯一使用鸭翼的现役五代机

今天咱也给鸭翼正个名,20姬的美貌岂能用如此眼光来品评!

鸭翼(Canard)得名于法语中的鸭子,因其安装在主翼前方,与鸭子的脚蹼相似,故有此别称。

坊间还有另一种说法,使用鸭式布局的飞机主翼靠后,机身前半段较为修长,与鸭子“飞行”时的外形很相似,因此这种气动布局被称作鸭式布局,“小翅膀”也就跟着被叫成鸭翼了。

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▲鸭子起飞的瞬间

与我们的传统印象不同,鸭翼既不特殊、也不新颖、更不奇怪。

早在117年前的1903年,美国莱特兄弟设计的第一架有动力飞机“飞行者1号”(Wright Flyer)就是鸭(前)翼布局。

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▲创造历史的飞行者1号

也就是说,这种布局才是所有飞机气动设计的老祖宗,我们司空见惯的后掠翼、三角翼反而是后生晚辈。

但在随后的发展中,人们没有再沿用首先实现飞行的鸭翼设计,而是广泛改用了平直翼的经典活塞机设计方案,直到二战结束。

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▲美国P-51“野马”是活塞战斗机的巅峰之一

产生这种现象的原因有两个,一是各飞机制造公司为了规避莱特兄的设计专利,二是鸭翼会增加气动的不稳定性,当时的技术手段无法实现稳定控制,安全隐患极大(莱特兄弟后来也不用了)。

但尽管如此,人们对鸭翼的探索并没有完全中断。

上世纪40年代初,美国柯蒂斯-赖特公司(Curtis Wright),为竞标美国陆军航空队提出的R-40C战斗机改进计划,开发了采用鸭翼、后置发动机布局的XP-55“升腾”。

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▲奇形怪状的XP-55

这种设计在当时看起来十分异类,而且性能和操控较差,三架原型机摔了两架,造成1名飞行员和4名平民死亡。

喷气时代到来,XP-55计划也就正式下马了,现存一架孤品展示于密歇根州的卡拉马祖公园。

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▲停放在密歇根州卡拉马祖公园中的XP-55孤品

除了美国,日本也在二战时期探索过鸭翼。

1943年,海军航空技术厂着手试制J7W1——震電(也叫震电、しんでん)战斗机,它也采用了鸭翼+后置发动机的气动布局。

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▲震电长得样子和美国那个XP-55差不多。日本人还声称震电击落过B-29,但始终拿不出实锤

但随着日本战败,这种飞机也没能量产。

值得注意的是,二战期间尝试鸭翼的还有意大利的Ambrosini SS.4、英国的Miles M.39B Libellula“蜻蜓”。

这么多国家都在研究“鸭翼”,足以说明大家都意识到了鸭翼的潜力。

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▲英国皇家空军的鸭翼概念机

那么这种设计的优点在哪里?又为什么会引得如此多的国家纷纷投入人力物力去研究?

概括地讲,鸭翼具有提升操控性、失速攻角、升力系数的作用,需要时也能充当俯仰轴,可谓好处多多。

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▲意大利Ambrosini SS.4

然而,“鸭翼”并不是给飞机插上一对小翅膀这么简单,它需要完美融合空气动力学、飞行控制系统、机体结构设计等方方面面的问题,研制难度大、风险高。

这就使得不少国家即使投入大量人力物力,在受到技术限制后,只能无奈放弃。

因此直到今天,鸭翼也被视为“非主流”,前文提到的四种验证设计在当时的历史背景下更是异类中的异类,奇葩中的奇葩。

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▲鸭翼+后置涡桨的设计并未完全消失,图为采用同类布局的“比奇星际战舰”(客机)

直到超音速时代到来,各国空军对新型气动布局的需求,极大刺激了机型设计的革新与探索,尘封数十年的鸭翼这才有重见天日的机会。

犹豫就会败北,果断全都白给,鹰酱和毛熊,率先开始论证鸭翼+三角翼这种全新组合的可行性。

北美航空拿出的方案是XB-70“女武神”超音速轰炸机,而苏霍伊则用T-4与之对标,二者均以3马赫的巡航速度为主要看点(3马赫巡航的轰炸机,搁今天也是黑科技)。

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▲XB-70“女武神”超音速轰炸机

可惜二者因为技术不成熟、洲际导弹成为核心威慑力量等原因双双下马。

1981年,瑞典萨博-37“雷”式战斗机正式服役,它被公认为最早采用鸭翼的量产型现代战斗机。

然而这种激进而罕见的设计,却在当时引起了广泛的争议。

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▲萨博-37“雷”式战斗机

但事实证明,“雷”式的鸭式布局是一种非常成功的设计,它有效平衡了短距起降、超音速、亚音速和低速段飞行时不同气动需求间的矛盾,同时提高了升力与操控性,用实际效果证明了鸭翼的价值。

此后,鸭翼开始逐渐被航空界所接受,部分北约成员国和苏联都点开了鸭翼的科技树,时至今日仍有台风、阵风、Su-33、Su-34等耳熟能详战机装有鸭翼。

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▲法国“阵风”战斗机

在这股大潮中,我种花家并没有当看客,也在很早就开始了相关研究和应用尝试。

1964年上马立项的歼-9截击机,就首次采用了我们从未尝试过的鸭式布局,可见当时中国的飞机制造者,已经注意到鸭翼的潜在优势。

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▲歼-9截击机的气动模型

尽管歼-9因为材料工艺等问题没有修成正果,但我们获取了大量气动数据,为中国鸭式布局的理论研究打下了坚实基础,日后歼-10、歼-20的成功研制亦从中受惠。

鸭翼从被排斥到被接受,电传操纵系统逐渐成熟也是前提之一,但自身设计的变化同样重要,尤其是近距耦合概念的出现,使得鸭翼具备了“金坷垃”般的功效——涡流增升(不是骨质增生,谢谢)。

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▲亲爱的达瓦里希,那对小翅膀好像在冒烟!

工程师们发现,当大后掠角的鸭翼位于主翼前上方不远处时,鸭翼产生的涡流会向下附着到主翼上,与主翼自身的涡流互相作用,进而形成包覆主翼的低压区,产生减少阻力、增加升力的效果,这便是“耦合作用”或“耦合现象。”

耦合作用在鸭翼+三角翼的机体布局中尤为明显,又因这种布局的鸭翼和主翼距离很近,因此被称为“近距耦合”或“紧密耦合”。(实际上能够产生耦合作用的都可以被归类为近距耦合)

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美苏早期实验的XB-70与T-4时,都没有产生这种效果,因为它们的鸭翼是被设计用来抵消高速飞行时,主翼升力过大产生的重心后移,防止俯仰轴失控和一定的配平辅助操作。

由于鸭翼和主翼之间的距离非常远(跟轰炸机巨大的身形也有关系),所产生的涡流也不足以与主翼形成耦合,所以当时的工程师并未意识到鸭翼的巨大潜力。

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▲前苏联T-4轰炸机

两个超级大国领先起跑,却是瑞典人对近距耦合的成功应用,给了全世界一个标杆式的范例,让大家看到了鸭翼还能这么玩。

当然会有不少人有疑问了,既然鸭翼有那么多的好处,为什么美国不喜欢鸭翼?

美国人当然不傻,他们可是一直在投入大量精力去研究鸭翼。

除了上文提到的飞行者1号、XP-55、XB-70,美国还在冷战时期测式过前掠翼布局的X-29,和采用矢量推力的F-15STOL/MTD。

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▲同时测试近距耦合与矢量推力的F-15STOL/MTD

至于搞到最后得出“鸭翼最好装在敌人飞机上”这个结论,主要有两方面的原因。

首先,鸭翼的存在,很大程度上是为了弥补发动机推力不足。

比如中国的歼-10、欧洲的台风、阵风都采用鸭翼+三角翼,确实有发动机性能较弱的因素。

所以要在气动上下功夫来提高飞行性能,拉平甚至超越美国同类战机(F-16)的机动性。

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▲台风战斗机硕大的鸭翼

当然这么做是有代价的,比如复杂的气动模型与操纵系统、鸭翼和腹鳍的额外重量等,只不过在没有大推力先进航发的情况下,这种代价可以被接受,或者说别无选择。

但美国不一样啊,人家拥有最为发达成熟的航空发动机工业,发动机推力绰绰有余,自然不需要鸭翼和它产生的负面效果。

这就叫“一力降十会”。

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▲X-29验证机,前掠翼+鸭翼的布局比俄罗斯Su-47早很多年

另一方面,苏联解体让美国的国防压力骤降,且空军的核心战斗机群已经由F-15和F-16组成并定型。

在本身就占据性能和数量优势(性能优势是相对的,但数量优势是绝对的)的情况下不宜,也不需要增添变数太大的新机种。

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▲F-15表演大象漫步,这种阵仗也就美国玩得起

最终,美国对鸭翼的研究止步于90年代,后续研究转入超音速飞行特征等领域,主要目的是获取资料、完善理论,军方已经没什么兴趣了。

而在所有五代机当中,只有歼-20使用鸭翼的主要原因的确如上文所述:

我们的发动机还不够好。

美国有F-119、F-135这样的顶级大推,俄罗斯有AL-41这样次一级但也很厉害的发动机,他们不用担心推重比不够,的确没必要用鸭翼。

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▲F-35使用的F-135发动机,其性能要比国产WS-10系列领先30年左右

歼-20仍需使用技术标准参考AL-31的WS-10。

短时间内无法解决航发问题,是歼-20在研发阶段就已经预见到的,因此气动布局必然要基于现有条件来做指导参考,鸭翼也就成为达成超机动性目标的必要途径。

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换句话说就是,“中国鸭王”的技术日趋精熟,是“心脏病”倒逼出来的。

我们甚至可以认为,“鸭翼最好装在敌人飞机上”这句话的潜在含义是:“希望敌人永远造不出先进航发,只能靠鸭翼弥补性能。”

说到这大家可能会泄气,原来歼-20的鸭翼真是无选之选啊?

非也!发动机的确有缺憾,但成飞通过巧妙布置,几乎将鸭翼的性能挖掘到极限,使歼-20的机动性同样出色。

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设计团队干了一件特别逆天的事,那就是在歼-20的气动系统中,整体设计了四个涡流发生器,分别是菱形的雷达整流罩、鸭翼、大边条和主翼前缘,大幅提升涡流增升效果的同时,发挥出了鸭翼长力臂的操控性优势。

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▲感受一下歼20这大迎角殷麦曼回旋的酸爽

至于鸭翼会破坏隐身这个问题,成飞的解决方案,是让鸭翼和主翼处在同一水平面,但鸭翼上翘、主翼下翻,既不耽误涡流耦合还能降低反射率,对RCS造成的干扰可以忽略不计了。

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▲20姬的鸭翼和主翼虽然处在同一平面,但角度不一样

就这样,歼-20成为了该领域独步天下的“鸭王”。

除了成飞,目前世界上还没有第二家设计制造单位,能同时做到既满足隐身需要、又保留提高升力和操控性的优势、还解决了不稳定难控制的特征!

作为第一、也是唯一一种使用鸭式布局的五代机,歼-20的气动模型之复杂稀世罕见,中国为弥补航发短板所下的苦心可见一斑。

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▲鸭翼与大边条特写

从歼-9立项到歼-20成军的半个世纪中,中国战机的发展之路走得很苦涩,深挖已极的鸭翼背后始终是发动机这个痛点。

也许有一天我们不再需要鸭翼,但今天为之付出的努力却不能被忘记,鸭式布局的广泛应用不仅解决了当前的实际需要,也充实了理论基础,是中国航空发展史上匠心独运的一笔浓墨。

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等到那时,我们也能在谈起鸭翼时云淡风轻地调侃一句:

“玩腻了,不好玩。”

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      2020/2/4 11:07:26

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      哪怕业界,也有一种观点,鸭翼和弱鸡发动机有必然联系么?难道鸭翼一定就是动力不足的时候才可以用?? 优秀的发动机难道就不能配合鸭翼布局?? 有没有,使用鸭翼和常规布局对比的文章??当然是相同动力情况下的对比。

      2020/3/7 12:36:40
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      使用鸭式布局的飞机主翼靠后,机身前半段较为修长

      2020/2/28 20:47:46
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      鸭翼既不特殊、也不新颖、更不奇怪。

      2020/2/28 9:10:31
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      但设计方的习惯和经验,对于方案确定的影响和作用也是不容忽视的。

      2020/2/24 20:50:32
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      应该说,第五代战斗机采用何种布局当然首先要取决于技术水准和战术需求,

      2020/2/21 20:45:53
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      这种设计上的惯性在各国的战斗机设计机构中多少都有体现,比如瑞典萨伯设计的战斗机从萨伯-37到JAS-39再到FS2020就也都采用了鸭式布局。

      2020/2/18 19:47:43
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      而中国在上世纪60年代后期开始设计鸭式布局战机,并有过歼-10的成功经验,与歼-10系出同门的歼-20也采用鸭式布局也就没什么奇怪的了。

      2020/2/18 19:43:37
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      但美俄两国设计常规布局战斗机的经验更为丰富,第五代战斗机仍然采用常规布局不足为奇。

      2020/2/16 20:46:21
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      6楼 mengxi1223
      问下大神,请大神来回答。

      理论上来讲,搞个伸缩的鸭翼是不是更优的选择。需要时,伸出来,不需要时缩进机身。

      你以为是乌龟呀,想伸就伸想缩就缩呀,知道这套伸缩结构要增加好几百公斤的重量,占用很大的宝贵空间吗?

      2020/2/14 19:36:55
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      虽然美国和俄罗斯有过鸭式布局战斗机的技术探索、特别是俄罗斯还研发过“四代半”水准的米格1.44,

      2020/2/14 10:23:01
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      其他提出第五代战斗机设计方案的国家都因技术、资金、需求方面的问题没有实际进展。

      2020/2/14 10:22:08
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      现代战争一再证明,制空是战争关键,必须继续加大远程隐形战斗机的研发和数量生产。

      2020/2/12 15:39:01
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      鸭翼布局实属我们发动机技术滞后无奈之举。四代机4S,即:隐身(Stealth)、超音速巡航(Supersonic)、超态势感知(Superior-sensor)和超机动(Super-agility)。我们歼20将超音速巡航(Supersonic)排在首位度,隐身(Stealth)与超机动(Super-agility)依次排列。首先要满足的是超音速巡航,因为发动机技术落后,只剩下优化超音速气动布局这个选项了。细长的机身大后掠角薄三角机翼都是为了降低超音速阻力,但这些选项恰恰恶化了亚音速升力,与超机动相悖。鸭翼选择是主要为了更好的超音速配平,随便与边条改善亚音速升力,但这些只能改善而不是根治,歼20在亚音区机动性并不突出,只相当于我们三代机的水平,弱于F-22 与 F-35。鸭翼与腹鳍确实影响隐身效果,但在我们预设战场,隐身性能满足我们作战需要,我们不是全球称霸,无需F-22那样追求均衡全面性能,这个选择是我们现阶段在现有技术基础上,最好最合理的方案,牺牲部分性能突出主要性能。歼20不是性能最好的战斗机,但是是最适合我们的战斗机。

      2020/2/12 13:42:46
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      迄今为止,只有美国、中国实现了第五代战斗机量产,俄罗斯的第五代战斗机仍然没有正式装备,

      2020/2/11 20:13:01
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      之所以鸭式布局的第五代战斗机方案最终只有歼-20发展成功,根本原因在于能够发展第五代战斗机的国家本来就不多,在鸭式布局领域有较深研究的国家更少。

      2020/2/9 19:07:16
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      发动机技术(航空发动机为首,包括所有门类的动力机技术)乃迄今为止人类工业革命皇冠中的皇冠,这方面我们确实差的很远(不止一代)。美国F-135发动机牛逼在哪儿?一般人恐怕很难理解,打个形象化的比喻吧,一台F-135的动力(推力)大约与一艘054A护卫舰的四台柴油机的动力相等,换句话,一架f-35天上飞就等于一艘054A在天上飞。

      而动力(推力)还仅仅是发动机技术的一个参数点,其他还有:发动机重量/大小尺寸与推力之比;发动机无故障运行时间或“大修间隔时间”,发动机燃油经济性~~

      仅就“发动机大修间隔时间”而言,这里面的差距就不小(数百小时到上万小时)扒着指头算算帐吧,高端的一台能抵低端多少台用?无他“”材料,工艺“”我们尚需急起直追!

      2020/2/8 10:01:58
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      发动机技术(航空发动机为首,包括所有门类的动力机技术)乃迄今为止人类工业革命皇冠中的皇冠,这方面我们确实差的很远(不止一代)。美国F-135发动机牛逼在哪儿?一般人恐怕很难理解,打个形象化的比喻吧,一台F-135的动力(推力)大约与一艘054A护卫舰的四台柴油机的动力相等,换句话,一架f-35天上飞就等于一艘054A在天上飞。

      而动力(推力)还仅仅是发动机技术的一个参数点,其他还有:发动机重量/大小尺寸与推力之比;发动机无故障运行时间或“大修间隔时间”,发动机燃油经济性~~

      仅就“发动机大修间隔时间”而言,这里面的差距就不小(数百小时到上万小时)扒着指头算算帐吧,高端的一台能抵低端多少台用?无他“”材料,工艺“”我们尚需急起直追!

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      进入超音速,我就是王

      2020/2/8 2:39:44
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      上述设计方案中KF-X和TFX最终选择常规布局,洛克希德·马丁的JAST方案在JAST计划发展为JSF计划后遭到废弃、其技术成果被运用于X-35,瑞典的FS2020仅进行过风洞测试和模型自由飞试验。

      2020/2/7 20:25:22
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      问下大神,请大神来回答。

      理论上来讲,搞个伸缩的鸭翼是不是更优的选择。需要时,伸出来,不需要时缩进机身。

      2020/2/6 22:16:15
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      截止目前,采用鸭式布局的第五代战斗机方案包括中国的歼-20、瑞典的FS2020、美国的洛克希德·马丁JAST竞标方案,另外韩国的KF-X和土耳其的TFX备选方案中也有鸭式布局方案。

      2020/2/6 20:03:00
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      但是如果包括进行技术探索但未制造原型机的方案,那五代机中采用鸭式布局的远不止歼-20。

      2020/2/6 18:35:04
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      统一采用美标隐身战斗机都属于五代机。如果说五代机里除了歼20没有鸭翼,恩现役的的确没有,

      2020/2/5 20:51:14
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      鸭翼会增加气动的不稳定性,当时的技术手段无法实现稳定控制,安全隐患极大

      2020/2/4 20:12:46

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