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    谈谈鸭翼布局战斗机的气动特点

    发布时间:2015-01-23  原作者:王立杰   点击数:

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    摘要

      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。


    鸭翼-三角翼布局

    水平尾翼布局

    无尾三角翼布局

    三翼面布局

    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。


    中国的歼-20是目前唯一的鸭翼布局隐身战斗机

      随着中距空空导弹的日益普及,视距外交战(beyond visual range, BVR)已成为未来空战的必然模式,战斗机操控性似乎不如武器性能重要。中程空空导弹发展成熟,性能可靠,战斗机可在视距外交战多目标,如果战斗机具有超音速速度优势还能增加我方导弹射程,导弹发射后还需发挥超音速机动性以规避敌方可能射击的中程空空导弹,尽快脱离敌导弹射程。但在很多情况下还是需要进行目视格斗,如受到敌我识别器(IFF)功能限制必须目视识别、目标成功躲避导弹后、隐身战斗机间的空战、雷达制导导弹遭遇先进电子战装备干扰等。全向(all aspect)攻击近距导弹与头盔瞄准具的结合,使空战特点由“占位”转为“指向”,特别是在近距空空导弹结合红外成像(IR Image)引导头和推力矢量控制后,不可逃逸区大大扩大,先敌射击就能掌握致胜先机,使战斗机瞬时转弯速率的重要性大于持续转弯率。根据赫柏斯特(W. B. Herbst)的研究:战斗机除需具备亚音速格斗性能外,还需具有一定的超音速巡航与转弯能力,所以未来战斗机设计除应该有良好的视距外交战能力外,机动性与敏捷性都是不可忽视的指标。

      机动性是指在一定时间内,战斗机改变飞行速度、飞行高度和方向的能力;敏捷性则是指迅速、精确地改变机动飞行状态的能力,即机动性对时间的微分。依约翰?博伊德(John Boyd)提出的能量机动论(energy maneuverability),战斗机机动性取决于推重比(推力/重量)与翼载(重量/翼面积),前者受发动机性能与机身重量(含结构、燃油存量与武器挂载)影响,比值大就加速快,后者是飞机可产生多少升力进行转弯,比值小就转弯快,高推重比与低翼载可提高战斗机的机动性,转弯机动性好就能提高战斗机的击杀率与生存性。常见用于评估战斗机转弯能力的参数有:

      最大持续转弯速率(maximum sustained turn rate),用于获得交战初期优势,定义为单位重量剩余功率(specific excess power, SEP)=0与结构限制线的交点。


    战斗机在9g结构过载限制下的最大持续转弯速率曲线

      瞬时转弯速率(又称最大可获得转弯速率maximum attain turn rate),用于取得射击位置,定义为最大升力线与结构限制线的交点。

      瞬时转弯半径(又称最小可获得半径minimum attain radius of turn)用于取得先敌射击机会,受最大升力线限制。

      由以上3项参数定义可知,在结构极限范围内,除发动机推力外,气动设计能产生多少升力将是影响战斗机机动性的主要参数。

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