03.02 三翼面、鸭翼、常规、飞翼这几种布局各有什么优缺点?

墨小侠阁下


常规布局符合自然界中鸟类的形态,是生物进化的最优结果。主翼在重心附近,承担主要重量,尾翼远离主翼和重心,既能减少相互干扰,又能提高操控力矩。

鸭式布局出于消除负升力,提高翼面升力。但是操控性变差。在低速飞行的时候缺点不明显。

在螺旋桨飞机时代,发动机很重,导致重心很靠前,没有足够的距离布置前翼面。所以螺旋桨飞机都是主翼很靠前,像一个“士”字。

三翼面是二战后出现的自动控制理论与人体工程学结合的产物。提出来“随控布局”的概念。飞机的气动布局要根据操纵者的需要进行设计安排。在这个布局概念中,飞机的飞行姿态完全根据驾驶员的需要。飞机可以平移、转动。美国在F-15上进行了三翼面随控布局试验。

俄罗斯的三翼面战斗机不是随控布局飞机。因为其前翼是不动的,只是增加飞机的升力。

显而易见,三翼面的隐身效果比较差。

飞翼也是出于利用升力的考虑。传统设计都是用机身承载重量。相当多的重量不能用来产生升力。飞翼取消了机身,或者说整个机身都做成机翼形状。

飞翼的缺点是方向、俯仰和横向安定性差。

飞翼的纵向稳定性一般是小于等于零的。由于没有垂尾,一般只有垂直安定面,长长的翼展对方向稳定性影响很大,也不容易手动控制。飞翼的横向静稳定性力矩较大,遇到侧风产生侧滑形成滚转运动。一般飞翼没有上反角,不容易自动修正。诺思罗普XP-79就因为进入慢滚转无法恢复而坠机。YB-35、YB-49也是如此。

总之,飞翼的安定性很差。诺思罗普热衷于飞翼设计,但是始终无法解决如何稳定飞行。直到计算机自动控制系统出现,才有了B-2。






一叶枫流O灵似舞妖


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这是一个关于空气动力学的故事,既然是故事,咱们就用事实说些故事。

三翼面布局:

还记得上世纪90年代后期到本世纪头几年,中印分别向俄罗斯买了几批苏-30,那时候起关于中国采购的的苏-30MKK和印度采购的苏-30MKI孰优孰劣的争论热闹了好些年,其中有一个观点就是认为苏-30MKI是带鸭翼的三翼面布局所以机动性要强于普通布局的苏-30MKK。

印度苏-30MKI起飞时鸭翼基本处于水平状态

有意思的是,那时候的苏霍伊三翼面和矢量推力都刚刚完成概念验证,所以造出来的苏-30MKI技术尚有技术风险,三翼面的控制和实际效果还是未知数。后来新一代改型苏-35又恢复了双翼面的常规布局,而新一代苏-30MK依旧采用带鸭翼的三翼面布局。

三翼面布局可以看作是传统布局和鸭式布局的结合体(更偏向于传统布局),本意是取两种布局之长,但实际效果1+1小于2。正如上图苏-30MKI所示,三翼面飞机在低空低速机动中,鸭翼不提供主要的控制力矩,更多的靠平尾来控制,所以在起飞、着陆时鸭翼处在中性位置(基本是平的),直到超音速时才会起到较大作用(例如更好的配平机体升力中心)。

苏-35已经恢复常规气动布局

苏-35由于装备了矢量推力发动机并且采用更轻的数字化航电及机头材料后,鸭翼就不需要了。很显然类似于苏-30MKI这种三翼面布局的鸭翼作用并没有完全体现出来,还额外增加了飞行阻力,对飞控软件的设计的简化也许有点用。至于新一代苏-30MK改动幅度没那么大,为了克服机头过重等问题依然采用了带鸭翼的三翼面。

三翼面布局美帝也做过相关的研究,比如下面这位:

美国先进技术验证机NF-15B

美国至今没有一款投入实战的三翼面飞机也许很好的说明了三翼面飞机的实际价值。

鸭式布局和常规布局

1910年莱特兄弟制作的“飞行者”1号可以算作是鸭式布局飞机的开端,那时候的人们自然而然的想到把操纵面设置在机头位置,至少看上去这样设计更为合理。但实际上鸭翼操作很麻烦,完全超出当时的技术水平。例如:鸭翼上偏时,机头抬起,这样进一步加大了鸭翼的上偏角度,整个操纵是非线性的控制关系,过度抬头容易引起仰角过大而失速等问题。

法国“阵风”战斗机采用近距耦合鸭翼布局

因为驾驭不了鸭翼,鸭式布局飞机一时间完全被常规布局的飞机取代,直到上世纪50年代第二代喷气式超音速战斗机的出现。人们发现战斗机在超音速飞行时,随着速度增加飞机的升力中心逐渐后移,机身后部被托举导致飞机有一个低头的趋势(向下力矩)。为了保持平衡,常规布局的飞机利用平尾下偏产生的负升力(向下力矩)压住机尾,总体效果相当于恶化了整机升力特性。

采用常规布局的F-16平飞时平尾下偏

如果采用鸭式布局,随着飞机速度的增加,可以逐渐增加鸭翼的上偏角度产生正升力抵消越来越大的低头力矩,总体效果相当于改善了整机的升力特性。

随着电传技术的出现,由飞控计算机控制的鸭式布局飞机能精确的完成鸭翼和襟翼的配合,克服了过去不能解决的鸭式布局缺点,释放出巨大的性能优势。如今采用鸭式布局的飞机普遍具有短距起降、低速机动好的特点,仰赖于鸭翼产生的涡流对主翼气流流场产生的有利干扰,而鸭翼本身既可以作为升力面又可以作为俯仰操纵面。

不过有人质疑鸭翼布局会影响飞机的隐身特性,这方面还没有明确的资料证明这点。

飞翼布局:

实用化的飞翼式气动布局飞机直到20世纪90年代才出现,但人类对飞翼气动布局的研究早在20世纪20年代左右就已经开始。

飞翼布局的飞机仅保留作为升力体的机翼,减去了常规布局飞机其他的机身、机翼重量和阻力,所以气动效率特别高(升阻比高),因为这个原因很多滑翔机也是飞翼布局。飞翼布局的飞机难点和缺点在于稳定性操控,因为它没有平尾和垂尾。

B-2A是飞翼式气动布局集大成者

至于飞翼式飞机B-2A的操控在我另一篇文章简单提到过:

未来的航空航天战略要求当如美国正在努力的方向:”更好、更快、更廉价",超音速飞行器还会再回来,并且会更快,其中减阻是重中之重,未来飞行器可能的发展方向之一就是基于飞翼式布局的改型:

美国X-48B翼身融合体飞机

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鸭翼布局分为近距耦合和远距耦合两种,没有中距耦合,而根据鸭翼与主翼的水平放置位置有可以分为很多种。这些布局各有优劣。

鸭翼机的话,一般来说都是配合三角翼,对于远距耦合来说,鸭翼一般与主翼在同一水平面上,增升作用微不足道,鸭翼+三角翼优化超音速波阻,

远距耦合更擅长超音速配平,擅长超音速


J20就是远距耦合鸭翼,而且是上述所说的专为超音速而生的战机,除去机翼以外,J20的其他设计也有很多是为了超音速而设计的,比如大长细比,也就是机身长度。

对于近距耦合来说,增升是主要的。增大最大升力系数,因为这类飞机的升力曲线斜率都很低,也就是说随着攻角的变化,升力系数得变化并不明显,只有达到较大的攻角,升力系数才可以明显提高。

而依靠近距耦合鸭翼,J10,阵风这类的飞机可以做到短距起降,增大瞬盘。

但是鸭翼机也是有缺点的,这些缺点对于近距耦合和远距耦合都是通用的。

第一个缺点就是,由于省略了平尾,鸭翼到重心的力臂又较短,所以俯仰配平效率较差。一般鸭翼机的可控攻角都较低,无TVC的无尾鸭翼机没有一架展示过过失速机动能力。这就很说明问题。

第二个就是,三角翼诱导阻力较大,所以鸭翼机亚音速升阻比较低,鸭翼机亚音速机动能力一般较差。

第三个就是,鸭翼机的正向RCS会受到一定程度的影响。

J10就是典型的近距耦合

三翼面的布局和鸭翼一定程度上来说是有些相同的。

只不过相对于鸭翼机的优势就是在有平尾的基础增加鸭翼,鸭翼可以增高升力系数,以及参与俯仰配平。而且载荷可以分配的更均匀。

三翼面的缺点也很明显,因为三翼面的鸭翼往往都很小,而且也是与主翼在同一平面,实际增加的升力系数很有限,鸭翼参与俯仰配平的力度也较低,而且会带来结构上的增重,有时候会得不偿失。


苏33就是典型的三翼面,而且目前来说是世界上最重的舰载机。

常规布局的话,是目前最常见的布局。个人认为,常规布局的最大优势就是,俯仰配平能力强。由于平尾到重心的距离最长,所以从配平效率上来讲,平尾是最好的。俯仰配平能力较高的好处就是,可控攻角较大。

而且平尾的可控力度较大,在较高的攻角表现也较好。

缺点就是一般情况下,在主翼等其他参数大致相同的情况下,常规布局的超音速性能不如远距耦合鸭翼。

而且再过高的攻角中,平尾表现出的配平效率较鸭翼来说也是半斤对八两。

F-22就是典型的常规布局

飞翼式飞机由无尾飞机发展而来,机身和机翼融为一体,也就是所谓的飞翼。

飞翼布局的优点结构重量轻和阻力小的特点,而且隐身性好,阻力小的好处就是升阻比高,巡航效率就更高,航程就更远。

缺点就是,由于缺少有力的操纵面,飞翼布局的机动性很差,一般都是用在隐形轰炸机上。


“幽灵”轰炸机B-2就是飞翼布局

需要注意的是,飞机的气动布局只能够影响飞机的性能,无法做到决定飞机的性能。

举个例子,之前谈到了一般情况下,在主翼等其他参数大致相同的情况下,常规布局的超音速性能不如远距耦合鸭翼。

但是F-22由于借助TVC进行超音速配平,超音速性能反而超过了鸭翼+三角翼的布局,这就是动力系统对于飞机性能的影响。

还有一个就是超音速陷阱,国内网友称之为“苏27软骨病”这就是材料强度和设计结构对飞机性能产生影响的典型例子。

希望大家不要唯气动论。


英雄光


我是东斯坦因,认真对待每一个问题,尽最大努力详尽透彻的回答每一道问题。(当然有时可能篇幅有点长)。希望喜欢的朋友,可以点击上方的“关注”。


1.三角翼:是飞机机翼平面形状的一种,由于其形状形似三角形而得名。三角翼飞机分为有平尾式和无平尾式两类。

三角翼优点:

  • 超音速飞行阻力小,翼面积大,机翼油箱大,翼载低,水平机动性能三角翼飞机好,而且后掠角大,阻力小;

  • 结构强度高,机翼重量轻、刚度好,有利于收置起落架,安放燃油和其他设备;

  • 跨音速时机翼重心向后移动量小,动力三角翼超声速阻力小,从亚声速过渡到超声速时机翼压力中心向后移动量小,这对于舵面平衡能力比较差的飞机尤为重要,所以无尾飞机和鸭式飞机基本上都采用三角翼。

三角翼缺点:

  • 低速巡航,角翼飞机翼飞机展弦比较小,亚声速飞行时的升阻比低,故亚声速巡航特性不好;

  • 着陆时操纵性差,小展弦比的三角翼只有在大迎角下有足够升力系数,因飞机着陆前迎角不能很大,而且在降落时需要机头上扬,飞行员难以观察地面情况,故其着陆性能较差;

  • 低速机动性差,翼尖会产生气体分流,造成机翼颤动,而且持续盘旋时大面积机翼会造成大阻力,急剧消耗能量,造成持续盘旋能力低。

2.鸭翼:早期的鸭式布局飞起来像一只鸭子,“鸭式布局”由此得名,前移的前翼也由此而被称为“鸭翼”。 无水平尾翼,机翼前面有水平小翼面的飞机。鸭式布局,是一种十分适合于超音速空战的气动布局。

鸭翼优点:

  • 在同等条件下鸭式布局的飞机比传统布局的飞机具有更好的机动性。采用鸭式布局的飞机在正常飞行状态下并没有多少优越性,但是当飞机需做大强度的机动如上仰、小半径盘旋等动作时,鸭式布局的飞机的前翼和主翼上都会产生强大的涡流,两股涡流之间的相互偶合和增强,产生比常规布局更强的升力;

  • 鸭式飞机比平尾和无尾布局的飞机更容易实现直接力控制,这对于提高战斗机的对空和对地的作战能力有很大好处,鸭翼差动配以方向舵操纵可实现直接侧力控制,鸭翼加机翼后缘襟翼操纵可实现直接升力控制和阻力调节;

  • 鸭式飞机的低空驾驭性较好,鸭式飞机一般采用大后掠小展弦比机翼,它的升力线斜率较低,鸭翼位置靠近驾驶员,有利于突风缓和系统的应用;

  • 鸭式飞机因有前翼而不易失速,有利于简化飞机驾驶和保证飞行安全。

鸭翼缺点:

  • 雷达反射率较大,不利于隐身;

  • 一旦鸭翼受损,缺少鸭翼提供的升力,轻者机动性巨降,重者直接失速坠毁;

  • 鸭式飞机起飞着陆性能不好:

  • 鸭式布局气动设计上很复杂,所以鸭式布局对于飞控软件设计,对于电传操控,对于航电等都有极高的要求;

  • 鸭翼在大迎角时诱导阻力较大,其失速也早于机翼;

  • 鸭式布局的飞机一旦定型,在气动上基本上就很难改进。

3.常规:飞机设计师们通常将飞机的水平尾翼和垂直尾翼都放在机翼后面的飞机尾部。这种布局一直沿用到现在,也是现代飞机最经常采用的气动布局,因此称之为“常规布局”。

常规优点:

  • 技术成熟,这是航空发展史上最早广泛使用的布局,理论研究已经非常完善,生产技术也成熟而又稳定;
  • 各项性能比较均衡。
  • 相对鸭翼来讲雷达反射面积较小;重量轻些,隐身性能加强。
常规缺点:

常规布局的缺点一句话就可以概括。常规布局很全能,但又全都不能。

4.飞翼:是一种没有尾翼和机身,机身和机翼融为一体,只有巨大机翼的飞机。

飞翼优点:

  • 机翼不会产生向后弯曲的倾向

  • 提高气动效率,增大航程

  • 具有良好的雷达隐身性能

  • 提高飞机的气动性能,增加了升力

飞翼缺点:
  • 飞翼在某一飞行速度下还容易保持稳定;
  • 操控难度大,飞机偏转或纵向摆动时难以及时纠正;
  • 起飞、着陆滑跑距离较长;
  • 机翼必须加厚加重,不适合高速飞行。


就到这里,各位对此,是否还有其他高见?或者你们还有哪些补充,一起来探讨。

非常欢迎大家来吐槽!!!


东斯坦因


(歼-20底部图)

(本文由桌面战争兵棋原创撰写,图片来源于网络。“桌面战争兵棋”专注于军事领域的耕耘,坚持原创,坚守初心。欢迎您的指点。)

人类对上天飞翔的渴望从来没有停止过,2000多年前中国发明的风筝就证明了这一点,风筝虽然不能带人上天,但是体现出了人们对天空的向往,古老的风筝确实可以说是飞机的老祖先了,直到20世纪初,在美国有一对兄弟在飞机的发展史上重重的画上了一笔,他们就是莱特兄弟。他们制造出了第一架靠着自身动力就可以进行载人飞行的飞机---“飞行者”1号,而且成功试飞(普遍都认为是莱特兄弟发明的飞机,当然可能还有其他说法)。飞机的构成大概分为五个板块:机身、机翼、尾翼、起落装置和动力系统,今天要给大家讲解的就是军用飞机中各种翼面布局产生不同的影响。

按照战斗机的翼面气动布局分类来讲,大致分为以下几类:常规布局、鸭翼布局、三翼面布局和飞翼布局。

(F-22战斗机)

【1】常规布局(WT)

常规布局来讲是从莱特兄弟发明飞机一来一直沿用至今的一种布局,美国的战斗机就很喜欢这种布局,新一代的战斗机F-22也是采用的常规布局。简单来讲常规布局就是主翼+水平尾翼,是一种很经典的气动布局设置方式。常规式布局没有什么优缺点,它在各个方面都十分常规,因为这种布局技术使用最早,它的理论和技术都已经达到成熟的状态了,可以使战斗机的性能达到一个均衡的状态。

(常规布局的F-22战斗机)

【2】鸭翼布局(CW)

鸭翼布局又可称为前翼布局,在前苏联时期有人发现如果把飞机尾部的水平尾翼移到主翼之前,可以用比较小的翼面达到同样的飞行效果,经过后来的长期发展才有了现在比较成熟的鸭翼布局,名字源自于法语中的鸭子,因为把水平尾翼配置在前方,像是鸭子蹼一样,所以称为鸭翼。这种鸭翼布局简单来讲,在正常飞行的情况下并不比常规布局优越多少,但是在做垂直上仰、小半径的盘旋飞行时,可以产生两股涡流,从而产生更大的升力,在大迎角的状态上,鸭翼还可以产生低头力矩,可以控制机身不会过度抬头,而且采用了更小的机翼,减少了雷达波的反射面,增强了隐身能力,我国的歼-10和歼-20都采用这种鸭翼布局。

(歼-10战斗机,十分经典的鸭翼布局)

(同样采用鸭翼布局的歼-20)

【3】三翼面布局(CWT)

三翼面布局总的来说就是结合了常规式布局和鸭翼布局的各个优点的结合体,采用的是前翼+主翼+水平尾翼,这种三翼面布局方式综合了前两种布局的优点,不仅改善了大迎角特性,提高了最大升力,再加上机翼多,操纵性能大大提高,水平机动性能也得以提升。而且比起鸭翼布局改善了起降功能,更适合作为舰载机,配置在航空母舰上。缺点就是翼面多,雷达波反射面也增加了,隐身能力不强,阻力也比其他两种布局大。采用三翼面的战斗机并不多,我国的歼-15采用的这种布局

(采用三翼面布局的歼-15战斗机)

【4】飞翼布局

飞翼布局最简单的来说就是取消了所有的水平尾翼,垂直尾翼全无尾布局,就像一片树叶,在空中飞行,采用了这种飞翼布局的目前服役机型里只有美国的B-2隐身轰炸机,这种飞翼布局完全是为了隐身性能研发出来的,它的雷达波反射面积只有同类飞机1/100,(关于B-2隐身轰炸机的隐身能力上一次有写一个专题,感兴趣的朋友可以去看一下)。但是这种飞翼布局操纵性能低,机动性能也差,不适合用于战斗机,所以目前只有执行战略轰炸的B-2隐形轰炸机采用这种布局。

(B-2隐形轰炸机)

除了这几种主要的分类的气动布局以外还有一些特殊布局,如无尾布局等,气动布局的各个翼面布局主要决定了飞机的机动性能,还有武器挂载、发动机和油箱等问题。无论是常规布局,还是三翼面布局等等,每种布局都有各自的优缺点和实用性,只有适用于当前战场的气动布局的战斗机才能发挥最强的战斗能力。

(采用无尾三角翼布局的幻影2000)


桌面战争兵棋


它们各有特点,都有成功案例,没有哪个好,哪个不好,就是为了适合战场环境。



无尾三角翼飞机跑的快,适合做拦截,远距离夺取制空权。代表作就是幻影2000,努力减轻压力和阻力。



鸭翼战斗机灵活,指向性快,偏向于制空权,适合格斗,夺取制空权。鸭翼战斗机的传统是,做中小型,中国歼20能做大型鸭式战斗机,是世界第一份。



正常翼布局,各方面平衡,哪一方面都行。关键在于深厚的底蕴,尤其是动力必须跟上,动力好就全都好。



飞翼布局最大特点隐身,特别是轰炸机,来无影去。由于飞行性能不好,很难控制,制作难度大。也可以隐身运输,比如隐身加油,不是和隐身电子战,电子战也不好隐身,本身就是电磁源,只能以乱隐身隐身。



三面布局希望各方面都好,希望各方面都很优秀,前提是动力必须好,飞控必须好,因为多了一对页面,控制是难点。如果做不好,各方面都不好。其实没有一面最好,阻力小,用燃料控制,特别好挂载,存放空间小,应该是方向。


大志远思想空间


几位大神给了相应评价,我都非常同意。我只是一个航空爱好者不是专业人员。我只补充几个说法。

首先呢说常规局部这个东西从莱特兄弟开始,我认为是错误的。这个说法来自很多国内资料以及百度。这些地方都是这样子写,也被很多爱好者采用。但是我想说一下的是,实际上莱特兄弟的飞机和滑翔机,至少我看过的图片,都是鸭翼布局的。如果你觉得莱特兄弟的飞机是常规布局,对不起估计图片你看反了。

所以说人类动力航空的历史,其实是从鸭翼布局开始的。正确的说法是远距鸭翼。气动这个东西,根本不是一个帖子可以说清楚的。相关的书籍我大致翻过,估计谈个几天几夜都没问题。但就鸭翼来说,分成远距,中距耦合,近距耦合很多种鸭翼分类,每一种对应的空气动力效能都不一样。同理飞翼面布局也分很多种,这个问题。还是留给更专业的人来解答吧。


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