鴨翼佈局升力明顯,操控靈活,為何美國戰機都不用?

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小挖客以從事航空器設計的經歷來說:那是因為鴨翼佈局其實並沒有想像的那麼好,它出現得並不算晚,但一直沒有普及也是有原因的,許多人的認知還有誤區。答之前先強調一點:現代飛機尤其是戰鬥機的設計非常複雜,牽扯的因素也非常的多,很難真正瞭解採用或者棄用某種技術的真正原因,我講的也只是我的個人推測,儘量講得透一點易懂一點,篇幅較長。

鴨翼的基本作用

飛機在天上飛,上下左右前後全是空氣——不象汽車下面是堅實的大地,因此飛機多了件很重要的事情——要平穩!汽車不平穩不是致命的,反正有大地託著;飛機不平穩,就可能出現要麼抬頭向上飛沒法降下來,要麼低頭向下飛一直栽下去。鴨翼和水平尾翼的基本作用都一樣,保持飛機平穩飛行。

看上圖,飛機是不是很像挑的擔子或轎子?通常情況下,注意,是通常情況下,飛機的升力中心和重心是已經定好了的,人為控制飛機平穩,就是通過調整鴨翼或平尾,讓飛機這個系統來保持平穩!傳統佈局飛機很象挑擔子,也稱為“挑”式佈局,垂尾一直產生負升力,通過負升力的大小來調整飛機的俯仰。

而鴨式佈局很象抬轎子,也稱“抬”式佈局,鴨翼通過調整正升力來控制飛機的俯仰!這一下優點相信大家都看出來了:鴨式佈局的優點正如題主提到的——升力效率明顯高一些!美國人不是不用,而是首先使用——世界上第一架飛機是美國人發明的,用的正是鴨翼佈局!如下圖。

後來為什麼不用了?

喜歡航空史的讀者會發現,第一架飛機用了鴨翼,為啥後來、一戰、二戰都沒怎麼用了呢?這涉及到另一個穩定性的問題:飛機的發動機和螺旋槳裝在哪裡更好?發動機和槳裝前面的叫“拉”式佈局,裝尾部的是“推”式佈局。早期飛機設計師們很快發現“拉”式比“推”式更穩定(大家可以回憶一下,拉一輛小板車是不是比推更容易控制?),結果造成螺旋槳式飛機絕大多數把發動機和槳、座艙(視野更好)都放在機頭上。而早期飛機是機械操作的,採用鴨翼的話也要放在機頭,會額外多出一大堆結構、機械連桿等等機構,跟發動機、座艙搶奪機頭的空間不說,還會多出很多重量,機頭的阻力也會大不少!兩下一盤算,還是正常的尾翼比較划算,於是大家都用正常佈局了,如下圖。

不過也有幾個例外,再次提到美國,在二戰時就造出了鴨翼+推式佈局的飛機,如下圖的XP-55,發動機和螺旋槳放在尾部,機頭裝鴨翼和機槍機炮,這樣看起來很合理。但試飛的結果是這種飛機的操作性不好,也就是很難飛,跟通常飛機的操作習慣差別很大。而且發動機放後面,散熱也不好,後面巨大的螺旋槳在轉,萬一飛行員要跳傘逃生等著他的是個巨大的絞肉機。

於是美國沒有裝備,後來日本人也用這個思路搞出所謂“大東亞決戰機”——鴨式的“震電”,剛試飛幾天就投降了,於是成了很多精日常常提到的“如果”——如果震電能早2年搞出來,二戰會如何如何……但真的早2年試飛,等著小日本的問題還多著呢——另外幾種吹得很厲害的“烈風”“疾風”“紫電改”倒是早了1年,也沒見能把美國人怎麼樣。

二戰後的情況

二戰後進入噴氣時代,發動機倒是到戰鬥機屁股上了。但此時設計思想進入了兩種狀態——要麼很保守,減少風險保證軍隊有可用的飛機;要麼很激進,乾脆直接上大三角翼,把尾翼或鴨翼全拿掉,配平的功能交給主翼上的副翼。前者不必說,後者誕生了一大批無尾三角翼的戰鬥機:僅美國就有F-102、F-106、海軍的F7U“彎刀”……甚至到了F-16剛服役,就拿出個F-16XL的無尾改進型,F-22也沒逃脫“砍屁股”毒手,弄出來個FB-22……

這會兒當然,鴨翼也沒有被遺忘。美國曆史上最昂貴的飛機之一“女武神”XB-70就採用了鴨式佈局。奈何這個項目下馬了。另外美國在試驗一些高機動性的研究項目時,也沒忘了鴨翼:X-29、X-31(如下圖)……

為何鴨翼忽然又火起來了?

這是因為在做機動性研究時,如何增大飛機的可用迎角成了一個重要方向。大迎角飛行時,機翼上表面會產生紊流(亂氣流)導致局部失速——可以理解為失控,升力也大大減弱。記得(記錯了請糾正)應該是格魯曼公司首先在F-5戰鬥機上發現的,戰鬥機的邊條翼(下圖紅圈)能產生很強的脫體渦(下圖的白煙),渦流掃過主翼上表面把紊流帶走從而產生所謂的“渦升力”,這就能飛機的可用迎角大增,讓什麼“眼鏡蛇”之類的動作成為可能。

而進一步研究發現,鴨翼尤其是近耦鴨翼(可以理解為鴨翼與主翼很近,甚至上下重疊)也有類似的功能!這個非常重要!另外,原來“抬”式佈局的好處還在,而之前說的那一堆無尾三角翼飛機的起降距離很長(升降副翼影響了主翼上佈置增升的襟翼,而且離重心相對較近,低速起降時升力嚴重不足),於是鴨翼一下子又火起來了。特別擅長無尾三角翼的法國人搞出了鴨式的“陣風”,歐洲戰鬥機“颱風”也用了鴨翼,美國F-35戰鬥機之前的“海選”中,也有用鴨翼的。

還有個好處是很多答主忽略了點——大迎角飛行時,往往傳統水平尾翼正好處於主翼的氣流中,控制規律非常複雜!而鴨翼在主翼之前,不會受主翼的影響,控制規律相對要簡單得多!

該說鴨翼的缺點了——第一個誤區

傳統鴨式佈局是“抬”式所以升力效率高,但到如今情況變了,因為又出來個新東西“靜不穩定”:對於現在的高機動戰鬥機來說,在格鬥的時候,其實往往是飛機的穩定性越“差”越好。不穩定的飛機,稍稍一點力就可以立刻改變姿態——飛機的靈敏度大大提高!不穩定的飛機不格鬥時很不好操作呀,沒關係現在技術進步了,有了飛控電腦和電傳操作系統,可以非常靈敏地自動調整!於是設計F-16時,設計師就開始“放寬靜穩定度(可以理解為讓飛機不穩定)”——讓重心和升力中心靠攏!

後面一大票高機動性戰鬥機幾乎都是放寬了靜穩定度的,那麼這種情況下,原本鴨翼產生正升力的好處變小了——平時不需要它產生那麼大的升力了。於是,鴨翼“升力效率”高的好處,幾乎變得沒有了!

最重要的缺點

很多答主都提到了,鴨翼偏轉時和機身呈很大的夾角,形成對雷達波的角反射器,非常不利於隱身,尤其是機頭前方的隱身效果!這在空戰中是非常重要的!下圖誇張了一些,這麼大偏轉角只有降落滑跑時,但可以說明問題。

還有些小問題

前面說過大迎角下鴨翼產生的渦流會有很強增升效果,這是近耦效應,也就是說必須鴨翼與主翼很近甚至重疊,比如說“陣風”戰鬥機這樣。如果太遠了,效果就不會好。我們殲-20的鴨翼就比較遠,所以主翼還補了小小一塊的邊條翼用來額外產生渦升力,如圖中的紅圈。

這樣一來鴨翼的位置就會比較尷尬:離得近有渦升力,但太近了配平的效果不好——因為力臂太短;太遠了增升的效果又不好,而且裝在機頭雷達的附近,如果用電機去做偏轉動力,可能還會影響機頭雷達的工作——因為靜不穩定佈局鴨翼的動作會很頻繁,這個影響力通過簡單的濾波程序很難消除掉(下圖“颱風”就曾遇到過這個問題)。

最後的結論

現代戰鬥機的設計非常複雜,牽扯的因素非常多。我們普通軍迷(能看到這裡的估計都沒幾個人了)已經很難判斷某種氣動佈局被採用或者被棄用的真正原因。只能用自己的知識和經驗來做一番推測。綜上所述,小挖客認為美國不用鴨翼很可能是出於隱身方面的考慮,而且在常規佈局上積累的經驗也更多。下圖是JAST“海選”時曾經出現的鴨式佈局。

但這決不是說我們自己的殲-10和殲-20就不好,我們的設計師肯定會有自己的想法——也許我們已經解決了鴨翼對隱身的影響,也許我們還有融合了很多更好的想法,也許是要回避一些我們經驗覆蓋不到的問題。相信既然我們選擇了鴨翼,那就肯定就是目前我們最好的選擇!


歷史小挖客


美國也曾經在F15戰機上測試過鴨翼,但是美國空軍的發展思路和其他國家不同。美國是一個在全球都有戰略利益的超級大國,美國空軍的戰機除了要先進之外,非常重要一點就是得多,比如美國就服役了1200多架F16戰鬥機,近1000架F15戰鬥機,就連F35五代隱身戰鬥機如今都服役了400多架,要知道俄羅斯的四代機才600多架,即便是世界空軍第二的我國,四代機也只有1000架左右,五代機也才30架左右。

上圖為伊拉克戰爭時期的美國空軍基地,下圖為美國“飛機墳場”,美國要生產大量的戰機滿足自己在全球爭奪優勢的需求。


戰鬥機的數量多才能在全球任何地區發生危機時快速抵達戰場,才能在全球大量的空軍基地進行部署,才能同時滿足全球不同戰區的作戰需求。要讓戰鬥機數量規模大,需要兩個必要條件:便宜、技術成熟。只有便宜才能大量的服役,這個道理非常簡單,而只有技術成熟可靠,才能讓戰機不至於有明顯的短板,或者技術的風險,才不至於讓數千架戰機同時暴露問題,又無法彌補。對於美國空軍而言,一架戰機要先進,但是不需要太先進,成熟可靠就是最好的。

圖為F16戰機,他是世界上生產數量最大的戰機,達到了4000多架,出口到數十個國家。


但是對於其他國家而言卻不是這樣,其他國家,比如中俄英法等其他軍事強國,國防建設必須要有側重,因為國家的實力不會讓空軍發展能夠面面俱到,能夠適應全球不同的作戰環境,這些國家研發的戰機必須要夠先進,因為只有技術前衛才能對抗更強的敵人,只有技術前衛才能確保不會很快落伍,才不需要經常進行升級和更新,所以這樣的戰機需要設計更加激進,才能符合他們的要求。

圖為F15“鷹”式戰鬥機,是世界上最早的第四代重型戰機,也是常規佈局。


而鴨翼對於戰機而言,就是一種激進的設計。鴨翼是一種不穩定的氣動設計,為一架飛機增加鴨翼可以改善他的飛行性能,但是也會擾亂飛機的各個翼面的氣流,如果把這些氣流控制不好,飛機就會面臨風險。鴨翼的作用有很多,首先就是改善配平,現代戰機的發動機都在機尾佈置,而且是整個飛機上單系統重量最大的部分,飛機的重心也因此非常靠後。對常規佈局戰鬥機而言,其主翼已經在機體中部,尾翼已經到了機尾,尾部重量更大。

圖為美國空軍F35A戰機群,美國已經服役了400多架F35戰機。


為了在飛行中克服重心靠後帶來的機頭上揚,戰機在飛行中必須要讓機尾產生負升力,這樣才能確保飛機的飛行平穩,但是這樣就犧牲了發動機的推力以及主翼產生的升力,最後導致戰機機動性的下降。而鴨翼則讓戰機的主翼在中,鴨翼在前,加上鴨翼控制的機械部分,起到了對發動機的配平作用,飛行中,鴨翼和主翼都是產生升力的部分,飛機的機動性更好。

圖為俄羅斯蘇30SM重型戰機,上圖可見其鴨翼拉出的渦流。


另外,鴨翼可以產生渦流,渦流作用在主翼表面上,可以降低主翼上方的氣壓,降低主翼的翼載荷,在飛機進行大仰角飛行時,飛機可以更加快速的變更機頭的指向,機動過載係數更大。戰機的穩盤、瞬盤和爬升率等基本戰術數據也會有較大的改善。但是鴨翼也有問題,鴨翼的控制非常複雜,一旦飛行中對飛機的姿態判斷錯誤,鴨翼控制錯誤,那麼會讓飛機陷於危險之中。

圖為英國EF2000“颱風”戰鬥機,使用遠距離耦合鴨翼技術,對飛機的配平作用更明顯,有助於高速飛行。


而且鴨翼拉出的渦流是一種被擾亂的氣流,過去經常會有戰機因為主翼渦流而陷入失速狀態,如果控制不好飛機馬上就會掉高度,如今使用鴨翼的戰機有很多就是因此墜毀,故障發生率比常規佈局戰機要高很多,所以鴨翼是一種有風險的設計,但是對於先進戰機數量有限的國家而言,這樣的設計又是提升飛機性能的必要措施。

圖為法國陣風戰機,使用近距耦合鴨翼技術,拉出的渦流更大更明顯,有助於進行大過載機動。


最後,美國空軍有更大推力的發動機,比如美國的F22A使用的F119發動機,單發推力為15.5噸,F35戰鬥機使用的F135發動機推力為18噸。其他國家方面,俄羅斯現役推力最大的發動機是蘇57使用的117S發動機,推力為14.5噸;我國現役推力最大的發動機是國產的WS10B發動機,裝備在殲20上,推力為14噸;英國空軍現役推力最大的發動機是EF2000“颱風”戰機使用的EJ200發動機,推力是9噸;法國空軍現役推力最大的發動機是“陣風”戰機使用的M88-2發動機,推力為8.8噸。

圖為殲20戰機,他使用鴨翼也是為了進行高速飛行所需。


由此可見,美國戰機無需使用鴨翼就可以依靠發動機的大推力取得比較好的機動性,這就讓美國無需為了鴨翼而冒險,所以美國最終放棄了鴨翼戰機。


海事先鋒


對於現代戰機採用鴨翼佈局的設計,一些軍迷認為鴨翼能明顯提升戰機的機動性、改善戰機的性能。但同時也有不少網友認為,現代戰機採用鴨式佈局就是因為發動機推力不足,機動性欠缺“妥協”的結果,因為美國的戰機均未採用鴨式佈局,就是因為美國戰機的發動機動力強勁,事實真的是這樣嗎?

先簡單講述下鴨翼佈局的發展,萊特兄弟在1903年製造的全球第一架飛機就將操縱面放在了機翼之前,這種佈局的實至其實就是鴨式佈局,只是當時的萊特兄弟在氣動佈局上並未用太多的研究,能夠採用鴨翼佈局也是偶然而已。經過逐漸發展人們發現將平尾放在機翼之後更適合螺旋槳戰機,之後,常規佈局也就佔據了戰機氣動佈局主導地位!

但隨著戰鬥機進入噴氣時代,其速度的得到了很大的提升,同時戰機機翼後掠角也不斷增加,再加上噴氣式發動機的後置,一系列的影響使得戰機的重心不斷後移!重心後移使得後置平尾產生的力臂也隨之減小,為了解決這一問題平衡力臂就不得不增加平尾的面積,可是增大平尾使得重心就進一步後移了,F-22戰機巨大的平尾很大一部分就是這種原因!

▲常規佈局與鴨翼佈局氣動升力的區別

戰鬥機重心的後移和平衡力臂進行平尾面積的增加很容易進入惡行循環,在這種時候鴨翼佈局的優點就被體現了出來,將小翼面放在前面與大後掠角的機翼相互配合(距離較遠)可以得到較長的力臂,鴨翼佈局的升阻比更大,能有效提高操控性能!另外,鴨翼佈局還擁有渦流增升等多個優點,所以各國不少戰機都開始才有鴨翼佈局!

▲鴨翼產生的渦流

既然鴨翼佈局對現代高速戰機的優點那麼多,為什麼美國的戰機一直不採用呢,是因為缺乏創新嗎?其實不然,美國對飛行器的各種啟動氣動佈局從無尾三角翼(X-31)、變後掠翼(F-14)、前掠翼(X-29)到翼身融合佈局(B-2)都進行過研究,當然也包括鴨翼佈局的設計,那就是在上世紀80年代改裝的一架F-15S/MTD試驗機“敏捷鷹”!不過,並不知美國從這架驗證機上得到了怎樣的結果,後來並沒有使用應用過改技術!

▲F-15S/MTD試驗機

當然,美國驗證之後未採用鴨翼佈局的設計並不因為其發動機推力強勁的原因,而是鴨翼佈局的設計有著天生不穩定的特點,前鴨翼和機翼除了會產生相互有利的干擾渦流,實現渦流增生之外,鴨翼佈局的戰鬥機在不同的飛行姿態,鴨翼產生的渦流也在不斷地發生改變,而這種渦流會很容易干擾到機翼產生的升力,甚至影響戰機的整體穩定性!

▲採用鴨翼的殲-20戰機

而且,不同材料、大小、形狀、位置以及角度的鴨翼對戰機整體氣動都會有著很大的影響,稍有不慎展現出來的就是鴨翼的缺點了,所以想要針對戰機設計出合適的鴨翼這需要大量的實驗來實現,而常規佈局的平尾就不會干擾到機翼的渦流環境,也就不需要去做這些複雜的事情了!

而相比較之下,只對F-15鴨翼佈局驗證機進行過短暫試驗的美國,在鴨翼佈局方面所擁有的經驗並不如其他國家,所以美國戰機並不會輕易去使用鴨翼佈局的設計並不是因為其發動機強勁可以“為所欲為”!


天下布武


鴨翼是個補充措施,當動力不足,時裝鴨翼是為了增加動力不足。而強大的動力,使得飛機靈活性大大的提高。而鴨翼有損飛機的隱身性能,世界發動機推力強的五代機F-22;F-35; S-57; 連J-31都不用鴨翼,唯一世界最大的五代機J-20採用。


iwanxu88


關鍵是技術含量要很高,估計美國也沒有把握這個技術,所以在安撫二二上沒有用到。再者是中國其實也用不了鴨抑這個技術。關鍵是中國的發動機不行,所以沒辦法只能用這個技術美國的發動機推力很大,不需要這個足夠它的機動性。


慶元小陳


美國對鴨式佈局也進行了相當深入的研究,製造過幾款鴨式佈局的驗證機。結論是鴨式佈局是有一定優勢,但優勢也很有限。憑著強大的發動機,美國的常規佈局機動性已經足夠好。而且現代空戰也不再崇尚狗鬥,美國沒必要捨棄已經掌握到爐火純青的常規佈局,大費周章另起爐灶搞鴨式佈局。


薺菜糰子


因為美國的發動機推重比大,完全不需要額外使用鴨翼來增加升力,這一點,NASA早在80年代就測過了


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