中国的歼十,最初的目标是对抗北方虎视眈眈的逆火轰炸机群和第三代战斗机,强调高速截击和空战能力。后来苏联解体,台独猖獗,又多了新的对手:海峡对岸的F-16。因此歼十的设计必须兼顾高空高速性能和中低空格斗能力。它采用的是中距耦合,鸭翼和主翼保持一定距离,又不像台风那么远,兼顾了配平和涡升力,但同时也对主翼的流场带来了复杂的影响。
成飞没有像欧洲双风那样刻意回避鸭翼带来的气动缺陷,而是迎难而上,采用了极其复杂的气动设计:大面积变弯度带上反的鸭翼,增强配平和俯仰控制能力;主翼具有大幅度的气动扭转,内外翼段采用不同翼型、分别扭转以应对不同状态下鸭翼涡流的不利影响,获得最大的升力特性;后机身收腰,应用面积率减少鸭翼增大带来的阻力。成飞从早年的歼-9开始,专注研究鸭翼已经超过四十年,对鸭式气动布局的理解世界上无出其右。歼十用三代机里最复杂的气动设计和超强的飞控协调,收获了所有鸭式的优势,避免了诸多缺陷,堪称完美。
歼十俯视图,鸭翼面积是所有三代鸭式布局飞机中最大的
歼十正视图,鸭翼上反,主翼内外段的扭转非常明显
但鸭式布局有一个天生的缺陷,在大仰角时鸭翼需要下偏,减小仰角以避免飞机产生上仰发散,继续抬头直到失速。当鸭翼仰角减小时,鸭翼涡不再扫过机翼,上翼面气流容易分离造成机翼失速。因此单纯的鸭式布局飞机,大仰角飞行能力并不算很出色,台风、阵风和歼十的无挂载状态下的无顾虑操作仰角限制都在28度以下。
而另一种三代机常用的增升装置:边条翼,翼面是固定的,无法偏转,在不同仰角下都可以持续拉出稳定的边条涡。采用大边条翼的F-18,空战挂载下可用仰角达到了50度。另一方面,固定边条无法控制边条涡的强度,需要襟副翼等其它气动面配合,效率低于全动鸭翼。
F-18E大仰角飞行时边条产生的强烈涡流
在讲歼-20的鸭翼之前讲了这么多三代机的鸭翼,是因为歼-20基本继承了歼-10的总体气动设计,可以看作是歼-10的超级魔改型(张局语录)。它也采用了大面积中距耦合鸭翼,鸭翼离主翼的距离比歼-10还远,配平能力很强,超音速机动性突出。
歼-20的鸭翼和主翼距离较远,鸭翼处于座舱后方,不影响飞行员的视界。
常规的鸭翼安装位置都比主翼高,以便鸭翼的下洗气流在主翼上处于合适的位置。歼-20为了追求隐身效果,鸭翼和主翼的翼根必须在同一水平面上,以减小雷达反射源。因此采用了鸭翼上反,主翼下反并带有气动扭转的特殊设计,在隐身和气动效率上取得了很好的平衡
歼-20正视图,鸭翼上反,主翼下反,外翼段可以看出明显的扭转
针对涡升力不足,以及大仰角飞行问题,成飞在鸭翼和主翼之间增加了一个边条。这个边条相当大,绝不是阵风上那个小到被大多数人所忽略的小边条,而成为一个独立的主涡流发生器。实际上在这个布局中涡升力主要来自边条涡和主翼前缘涡,鸭翼涡的主要作用是诱导了前两者的融合和叠加增强,同时鸭翼自身兼顾了配平和增升的作用。这样的组合涡系效应,既强于单纯的边条也强于单纯的鸭翼,达到了一加一大于二的效果,保障各种姿态下的大仰角飞行能力和强大的涡升力。
歼-20仰视图,鸭翼和主翼间由直线型大边条过渡
这样的组合带来的气动复杂性也是空前的。歼-20的涡流场由棱形机头产生的机头涡、鸭翼涡、边条涡和主翼涡构成,实际上尖锐前略的进气唇口也是一个涡流发生器,多达五个涡系相互作用,飞控研制的难度超乎想象。在早期的几架验证机上,鸭翼前的进气唇口处还有一个尺寸很小的边条,作用一是遮挡鸭翼安装轴,有利于隐身;二是拉出一个小的涡流,延迟鸭翼本身的失速。后面的大边条是带弧度的,类似于F-18E/F和枭龙上的哥特式边条,涡升力更强。在后续的原型机上取消了这个小边条,也把尖拱边条拉直为平直边条。主要的考虑可能还是简化流场和控制律的复杂性,气动上的红利已经足够,隐身性能则可以通过复合材料和吸波涂料来解决,或者实测下来差别不大。
歼-20 2001号验证机,鸭翼前方有一小段边条,鸭翼后的边条为尖拱形
其实鸭翼、边条这些都是三代机的技术,成飞在歼十和枭龙上都早已应用,但能综合应用在四代机上,完美融合到升力体和隐身设计中,说明中国在鸭式布局上已经远远地把欧洲甩在了后面。
歼-20生产型在飞行中各涡流发生器拉出的强劲涡流
小结:歼-20的鸭翼加边条的布局,充分发挥了配平和涡升力的优点,超音速机动性和大仰角飞行能力都非常突出。
成飞没有像欧洲双风那样刻意回避鸭翼带来的气动缺陷,而是迎难而上,采用了极其复杂的气动设计:大面积变弯度带上反的鸭翼,增强配平和俯仰控制能力;主翼具有大幅度的气动扭转,内外翼段采用不同翼型、分别扭转以应对不同状态下鸭翼涡流的不利影响,获得最大的升力特性;后机身收腰,应用面积率减少鸭翼增大带来的阻力。成飞从早年的歼-9开始,专注研究鸭翼已经超过四十年,对鸭式气动布局的理解世界上无出其右。歼十用三代机里最复杂的气动设计和超强的飞控协调,收获了所有鸭式的优势,避免了诸多缺陷,堪称完美。
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