这是一个读者的回复:
说曾经看到过一个节目中的专家说歼-20的鸭翼设计就是为了弥补发动机推力不足的问题。
当然了,还有有很多说法说为什么F-22和F-35不用鸭翼就是发动机动力充沛的表现。
但是,歼-20的鸭翼设计真的就暴露出发动机推力不足的“短板”吗?今天又到了回复时间,咱们展开来聊聊这个问题。
首先不可否认的是F-22的设计是一个相当出色的设计,别人有长处咱们得看得到。给大家放一个20秒的小视频大家就能很直观的看到F-22的气动设计优越性。
从F-22在高速机动的时候我们可以看到虽然F-22并没有安装鸭翼,但是其超大的边条设计在实质上已经气到了鸭翼的效果,在大迎角飞行的时候依然对流经主翼根部的气流形成了有效的扰动,让主翼拥有了极高的升力提升。
为什么W君说F-22是一个相当出色的设计呢?我们看视频的最后5秒,你会发现经过边条扰动的气流精准的避开了垂直尾翼的作用空间,既起到了增升的效果,又不会对垂尾的气动特性造成过多的负担。这就让人对F-22的“常规”气动设计有了“重剑无锋,大巧不工”的感觉。
为了能达到这个效果F-22的机身截面被精心的设计过,F-22的机身截面并不像很多人的想法一样是一个平面而是精心调教过的大R值曲面。
若干个调教过大曲面纵向排列出来则让F-22的机身本身虽然看着宽大平坦,但是依然让F-22的机身成为了气动设计中重要的组成部分。
简单的理解就是——F-22的机身同时也是机翼的一部分。很多的航空设计者看到F-22的机身设计的时候无不感叹洛克希德设计师的鬼才就是这个原因了。这是洛克希德浸润在常规布局设计中几十年的一个积累结果。其实,F-35被很多人诟病臃肿肥大,但在核心的气动设计上还是继承了F-22的设计精要的。
那么F-22继承于谁?答案是F-16,这就是一个设计演进的过程了。
无论是洛克希德·马丁、诺斯罗普、波音、麦道,它们都有自己的设计基因。例如很多人在惊叹B-2是外星人的技术的时候,要知道的是诺斯罗普在螺旋桨时代就已经开始搞飞翼布局了。
所谓的外星人科技,其实是人家不断演进的结果。
那么我们的歼-20又是怎么演进到现在的设计呢?
和美国不同,美国的飞机企业实际上都是相对自由的军工企业,并不归国家所有。因此它们的设计会更自由更奔放一些百花齐放的各种设计都会出现,当然了这是一句高情商的评论,得细品。咱们的飞机设计单位其实都是挂着“国有”这个前缀的。就更能集中精力去搞一些已经确定和明确的项目。
所以我们自己的飞机的设计传承性是更明显的。
我们的设计来自于哪里呢?初期的设计是来自于老大哥的米格机的。对我国航空工业影响最深的一款米格机就是米格-21。它奠定了我们近半个世纪的战斗机发展路线。
注意看这里:
不是谈歼-20的鸭翼吗?怎么又扯到米格-21的尾鳍了呢?太能扯了吧?慢慢读下去,你会了解我们的整体航空设计脉络。在米格-21的基础上我们自己搞出来了一型飞机叫做歼-7,和米格-21最大的不同是改进了主翼,由米格-21的三角翼布局改成了双三角翼布局。
我们对比两者的机翼就会发现歼-7的机翼前缘并不像mig-21一样是一条直线,而是一条折线。这就是双三角翼设计,主翼的外侧后掠角变小,更加突出了在低空低速的时候的飞行性能。这是一个锦上添花的设计。但你要注意的是,尾鳍还在。
紧接着在歼-7的基础上放大,我们生产出了歼-8,这其实就是咱们飞机设计的另外一个里程碑。歼-8在歼-7的基础上简单粗暴的进行了放大。怼进去两台发动机,依然采用机头进气道设计。
歼-8的最大特点就是一个字——“长”。机身长度过大的问题又成了咱们战斗机的另一个设计基因。但是这时候咱们的飞机设计就和老大哥开始分道扬镳了。
在歼-8上你还可以明显的看到尾鳍的存在。到了歼-8II的时候歼-8的尾鳍就更加激进了。
起降的时候歼-8II的尾鳍会折叠收起,在高速飞行的时候尾鳍会打开。
巨大的尾鳍和垂尾为歼-8II的飞行纵向安定性提供了保障。但是也会让歼-8II付出更大的结构重量。
到此,我们的战斗机设计路线其实就已经基本定型了。为什么说是定型了呢?设计一架战斗机并不是画图、做模型、吹风洞这么简单的事情。实际上战斗机的设计是数学。尤其是在结构选择和操控战斗机的时候,更是要把诸多的参数结合在一起形成“设计公式”。
这些设计公式中有一些是理论公式、还有一些是验证公式(近似公式)、再有一些是经验公式。所谓的理论公式类似于升力、阻力的计算公式,这些东西在理想条件下都是成立不变的;再有就是验证公式就更贴近于现实情况例如飞机的包线构成、控制面角度的设计;最后就是经验公式例如上图中kp,对于菱形机翼和掩护机翼的取的不同的数值就是经验公式或者说是经验数值,至于为什么是1或者是4/3没有人说的清楚,或者说是需要更复杂的推导过程,因此就会取一个相对于正确的经验数值或者经验算法。所有东西都是数学,所以别说飞机在天上飞,就连飞机在地面上转个弯都有数学公式在里面被验证和保障设计的有效性。
能理解这点,也就能理解为什么W君在说一些事情的时候会在读者出其不意的情况下扔出来一两个公式,虽然看W君的文章不是数学和物理课,但有的时候用公式来说明问题本质上是比文字更准确的。
歼-8的设计和积累的数据就奠定了我们的战斗机设计会向某一个方向和角度演进。“临时跳门”行不行呢?这事情还真不行,一个飞机的设计过程中会用到几万个甚至几十万个刚才说的kp这样的经验数值。如果临时跳门去走另外的设计路线,这些几十年积累下来的经验数值就会被清空大部分,新的路线也就相当于从0开始。
那么歼-8给我们积累了哪些数据呢?——长机身稳定轴线飞行的设计数据和结构数据。所以,读到这里以后你在喝酒吹牛的时候就可以和大家清楚的讲出来为什么我们的歼-20是五代机里面最长的。
也会明白为什么歼-8的设计是一个里程碑,更会注意到为什么歼-20的双三角翼布局是有历史传承的。
但机身长这件事可以保证飞机在飞行轴线上的稳定性,或者说飞机在飞行的过程中太过于安定了。例如:这个东西在飞行过程中轴线方向上是最稳定的。
大家没有异议吧?只要不是印度造的,基本上都能遵循最基本的气动原理。
但是战斗机是需要作战的,需要有机动性,它们并不是上图中的火箭,如果真飞的那么稳定并不是一件好事。
怎么改?加大控制力矩呗,你能想到什么?没错响尾蛇导弹!
在响尾蛇导弹的前部有四片可以活动的机面,这个位置上是对导弹控制力矩的最优解,再靠前一些更好,只不过那样做的话导引头就没有地方放了。
在歼-8突出了高空高速性能的优势下,我们也意识到了歼-8过于稳定的问题。于是就有了歼-9的预研究计划。
其实在歼-9的计划中我们就一直在寻求一种能够让做得“很长”的战斗机获得更加灵活的机动性的设计方案。但是当年还是由于技术问题歼-9下马了或者说是被搁置了。
直到歼-10的出现。
歼-10与其说是一个量产机,不如说是一个验证机。歼-10验证了我们的“远耦合”鸭翼的控制技术,并积累了大量的经验数据。
远耦合是什么概念?
耦合的“远”和“近”是针对于飞机的气动中心来做的,一个口诀“近耦增升,远耦增控”,近耦合机翼由于接近飞机的气动中心,因此鸭翼扰动所带来的升力增加更为明显,但也正因为靠近气动中心,近耦合机翼所带来的气动力矩就被缩小了,因此它对机动性的提升很小。
相对应的,远耦合鸭机翼对于由于远离气动中心,因此对飞机机动性的提升效果明显——毕竟力矩大是有优势的。
网上传的很疯的一句话“鸭翼的最好位置是在别人的飞机上”,其实说的就是远耦合机翼。很多人的往往会以片面的言论做真理。例如“男女授受不亲”,是男人女人不能接触吗?人家原文是“男女授受不亲,礼也;嫂溺,援之以手者,权也。”,完整的意思是“男女授受不亲,情急从权”,说的是“救人命比遵守礼节更重要”,而不是孔老二死活不让你拉大姑娘手。
对于“鸭翼的最好位置是在别人的飞机上”的论述其实最早出现在nasa的个关于X-29的文章中,原文是这样的:
这段话翻译过来是说“由于鸭翼安装位置接近气动布局的中心,其通过增加诱导阻力换取的控制增益并不显著。通过扩展控制力矩,可以在相同的阻力条件下提高控制增益。以至于我们坚定地认为,‘鸭翼的最佳位置是安装在别人的飞机上’。”
典型的远耦合鸭翼机就是我们的歼-10和歼-20.。其实说句让大家舒心的话,发动机的推力并不完全是评价一架战斗机机动能力的标准,那位网友回复中所谓的“专家”说的话不可尽信。合理的气动布局是可以提高机动性的,但加了鸭翼阻力会增加这是事实,阻力增加也会更加削减发动机的推力这才是真相,所谓的推力不够气动来凑其实是违背基本物理常识的。
至于美国为什么不发展鸭翼三角翼?这件事并不是美国认为常规布局优于压抑,还是要看传承的。在上世纪60年代美国的航空企业也有研制鸭式飞行器的热潮,只不过生不逢时,鸭翼的控制相对困难,当年的航电系统其实想跟上鸭翼的发展还是比较困难的,因此当时虽然有研究热潮但是成功的不多,这里面北美航空就是其中一个很典型的代表。
大家熟悉的就是XB-70女武神轰炸机了。其余的产品实际上北美航空还有很多。
当时洛克希德也搞了一个L-113的计划
只不过资本主义社会嘛……一切以赚钱为目的。在北美航空XB-70项目被取消了之后,一直期望的军方大单就没有到手,就这样在鸭翼领域内已经扫平竞争对手北美航空就逐渐凋零了。最后的鸭翼作品其实就是B-1B
通过远耦鸭翼增加B-1B在低空突防时候的控制性能。虽然这个时候B-1B被很多人认为是罗克韦尔(2001年并入波音)的产品,但是B-1B的真正开发者正是北美航空。
北美航空和罗克韦尔合并、罗克韦尔又被波音收购,美国的鸭式布局的门派也就渐微没落了。在鸭翼的事情上算是美国自己自废武功了,这就是制度的问题了。
美国现在搞鸭翼布局能不能搞呢?其实这也是一个“临时跳门”的举动,和我们猛然间去搞一个F-22一样都面临着基础数据的积累问题。
所以说,现在你再看歼-20 是不是就知道传承在航空设计中的价值了吧,再看歼-20的小尾鳍是不是就有亲切感了?