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飞机的气动布局
从人类第一架飞机“飞行者一号”开始,飞机气动布局发展就与鸭式布局结下了百年的渊源。
一直以来,鸭式气动布局被视为优点和缺点同样突出的气动布局,让飞机设计者们既爱又恨。
似乎已经形成了这样一个观点,那就是鸭式布局作为一种“旁门左道”的航空技术,无法撼动常规布局在战斗机设计中的主流地位。
而中国歼二十的亮相和首飞无疑推翻了这个论调,采用鸭式布局同样可以攀登上最先进战斗机的巅峰。
“丑小鸭”:
早期鸭式布局实践
人类第一架飞机“飞行者一号”采用的就是鸭式布局。
在人类刚刚接触飞机设计的时候,非常自然的想到,在机头设置控制翼面,翼面上偏,飞机抬头,翼面下偏,飞机低头,从而实现飞机的俯仰控制。
但是在飞机技术发展过程中,航空先驱者们发现,鸭式布局这个看似简单直接的气动控制手段,在工程应用的时候带来相当多而且凭借当时技术手段基本无法解决的问题。
第一,鸭翼上偏在提供升力或者抬头力矩的同时,干扰了后面主翼的流场。
鸭翼上偏或者设计成平飞时也产生升力的时候,由于升力产生的本质就是鸭翼上下表面的压力差,鸭翼上表面形成的低压区碰巧在主翼的位置,而且部分低压区产生在主翼之下。
这样就相当于降低了主翼下表面压力,从而降低了主翼升力。
第二,鸭翼的攻角是飞机攻角与鸭翼偏转角度的叠加,鸭翼偏转角度稍大就会因为迎角过大而失速,飞机迅速失去抬头力矩。
这就相当于限制了飞机俯仰操纵能力,由此带来飞机最关键的盘旋性能的下降。
第三,鸭翼带来严重的非线性操纵问题。
鸭翼在进行俯仰操纵的时候,鸭翼的偏角与飞机的俯仰角速度有着非常复杂而且非线性的控制关系,只在小迎角范围内存在近似线性的控制关系。
这样复杂的控制律除非采用计算机进行控制否则飞行员只能在非常小的迎角范围内稳定控制飞机。
第四,鸭式布局给飞机的俯仰力矩很大,需要主翼襟翼提供相应的配平力矩。
俯仰力矩大本来对于强调高俯仰速率的战斗机是有益的,但是高俯仰力矩需要主翼襟翼有足够的力矩去配平。
一旦飞机迅速拉起迎角,如果襟翼不能遏制飞机的上扬趋势,飞机就会进入上扬发散,紧接着就是失速尾旋。
所以鸭式布局飞机昙花一现,除了德国、英国、意大利和日本等国家尝试性的进行过型号研究之外,常规布局完全统治了飞机气动设计领域。
对于鸭式气动布局的技术探索,却一直没有停止。
航空工程师们相信,随着技术的发展会有合适的工程手段消除鸭式布局的缺点,从而释放鸭式布局还不能被人类所掌控的巨大性能优势。
飞行者一号采用了鸭翼布局,图片左下方的双层翼面就是飞行者一号的鸭翼
鸭式布局“死而复生”的发展契机源于喷气式超音速战斗机的技术发展。
战斗机在亚音速和超音速的飞行状态有着比较大的区别。
最显著的就是随着飞机速度的增加,飞机的气动焦点会逐渐后移。
气动焦点是这样的一个点:
当飞机的攻角发生变化时,飞机的气动力对该点的力矩始终不变,因此它可以理解为飞机气动力增量的作用点。
飞机的俯仰控制与物理中的杠杆非常类似。
飞机的重心就是杠杆的支点,飞机的气动焦点就是作用在杠杆上力的位置。
气动焦点后移就相当于翼面对于飞机的升力在向后移动,因而造成了“托举”后机身而引起低头力矩。
为了平衡这个力矩,常规气动布局的平尾需要下偏产生抬头力矩,而平尾下偏产生的是负升力,这样就等于恶化了飞机在超音速状态下的升力特性。
而在鸭式气动布局中,重心位于鸭翼与主翼之间,随着飞机速度增加,气动焦点后移,低头力矩增加,鸭翼通过逐渐增加上偏角的方法抵消低头力矩,而此时鸭翼上偏带来的正升力改善了飞机的超音速升力特性。
常规布局的“压尾”和鸭式布局的“抬头”,两个看似简单的超音速配平手段却导致了整机升力特性的不同,导致鸭式布局对于超音速飞机的诱惑越来越大。
鸭式布局采用“抬头”方式平衡超音速条件下的低头力矩,大大改善了整机升力系数。
人类在涡升力领域的进展导致了飞机升力产生机理的重大改变。
这也是鸭式布局飞机兴起的另外一个重要原因。
20世纪60年代中期,瑞典的Behrbohm教授发现了鸭翼气动布局的近距离耦合原理,该原理堪称鸭式布局发展史上最具有转折性的一笔。
根据该原理,为鸭翼和主翼选取适当的参数,鸭翼和主翼都会产生脱体涡,而鸭翼涡和主翼涡能够形成有利干扰,导致飞机的升力系数、升阻比明显增加并且还扩大了飞机的失速迎角。
鸭翼布局最诱人的闪光点被埋藏了六十年时间才终于被人类所发现。
近距耦合效应原理图,鸭翼涡与主翼涡在主翼上表面耦合,产生明显的升力增量。
翼面存在脱体涡时,升力系数-迎角函数会大幅度改善。
勇敢的过渡:
固定鸭式布局
鸭式布局的“金矿”虽然已经被“探明”,但是如何将这“金矿”开采出来却成了难题。
因为虽然鸭式布局存在巨大的升力潜力,但是其配平困难、控制律复杂和干扰主翼的问题依然存在。
不过,瑞典人决定开始设计一型真正的鸭式超音速喷气战斗机了,最终的成品就是萨博37“雷”。
萨博37采用了单发单垂尾、两侧进气、带有襟翼的大后掠角固定三角鸭翼和小展弦比三角主翼的气动布局。
既然鸭翼难以控制而且对于主翼有不良干扰,但是涡升力潜力巨大,那索性就把鸭翼做成固定形式充当涡流发生器好了。
瑞典人采用扬长避短的方法,开创了固定鸭式气动布局的先河。
萨博37的鸭翼以固定的仰角安装在进气道外侧,由于鸭翼产生升力对于主翼不良影响较大,鸭翼的安装仰角较小,因而产生的升力,尤其是亚音速状态下的升力比较有限。
鸭翼的正升力特性更多在超音速配平时体现,萨博37逐渐超过音速,气动焦点后移,前翼的襟翼逐渐下偏来增加前翼升力,从而用鸭翼的正升力来克服低头力矩,改善了飞机的超音速截击性能。
在平飞状态下,鸭翼固定的安装角赋予鸭翼一定的升力,鸭翼下表面压强大于上表面,再由于鸭翼后掠角较大,因而鸭翼下表面的气动更容易绕过鸭翼前缘到达鸭翼上表面的低压区,形成自下而上的环流,这样就形成了鸭翼的前涡流。
在起降和盘旋时,鸭翼迎角增加,鸭翼和主翼脱体涡强度更大,耦合效应大幅度增加从而可以很大程度上增加飞机的升力特性。
萨博37的主翼更加特殊,该机主翼前缘采用三种不同的后掠角设计,从机翼内侧沿展向依次为45°、稍小于60°和稍大于60°。
这样的设计是早期鸭式布局技术上的局限性。
为了能够与鸭翼耦合,鸭式布局飞机的主翼与常规布局飞机不同,也要在平飞或者较小迎角状态下拉涡。
萨博37采用三段后掠角设计就是想在45°后掠角和稍小于60°后掠角交界的主翼前缘“尖角”处产生主翼脱体涡。
相较于现代鸭式布局飞机多采用大后掠角三角翼直接导致气流分离的设计,萨博37这样的设计保证了主翼的展弦比(同样的机翼面积,大后掠角三角翼的翼展较小),从而保证了飞机的亚音速升阻比和航程特性。
现代鸭式布局飞机多采用放宽不稳定度和主翼气动扭转来消除大后掠角带来的不利影响,但是这样的技术手段在萨博37研制的年代还没有实用。
另外,萨博37的设计指标要求500米以内的短距起降能力,这样的主翼设计有利于提高升力斜线斜率,类似的设计在印度研制的LCA战斗机上也有体现。
最终萨博37利用在近距离涡流耦合机理方面的突破,用近乎米格23飞机一半的标准起飞重量实现了类似的性能。
要知道在米格23背后有前苏联如同夜空中繁星一般的飞机设计大师在支持。
瑞典作为世界航空领域特立独行的小强国能设计出萨博37这样性能的飞机,一方面是瑞典航空工程师们的独立思考精神值得敬佩,另一方面就是鸭式布局巨大潜力的展现。
本图可以清晰地看到萨博37复杂的三段主翼前缘设计。
瑞典人发现近距耦合机理不仅造福了本国战斗机研制,也同样拨动了远方“东方巨龙”的心弦。
早在五十年代我国就开始对鸭式布局产生兴趣,六十年代瑞典在近耦机理方面的突破更是坚定了我国对于鸭式布局研究的信心。
经过了701鸭式布局运输机和751鸭式战斗机两个前期预研项目的积累,我国最终开始在歼九飞机上应用固定鸭式布局。
歼九战斗机提出技术战术指标是在1964年。
当时我国空军装备的歼七飞机在航程、升限和载弹量方面存在较大缺陷。
我国一方面开始进行歼七改双发的工作,就是后来的歼八飞机;另外一方面开始论证研制一型装备单发大推力涡扇发动机的高空高速歼击机。
起初601所将歼九设计为常规布局,与放大并且改两侧进气道的歼七或者采用单发大推力涡扇发动机的歼八非常类似。
选定常规布局后,601所将主要精力放在了主翼的选型上,主要就是在三角翼和后掠梯形翼之间进行抉择。
由于三角翼翼根弦长更大、机翼相对厚度小,因而波阻更低,而且在相同后掠角前提下能够保证更大的翼面积,歼九最终选定后掠角55°的三角翼主翼。
但是1966年到1967年的风洞试验表明,大后掠角三角翼常规布局无法满足歼九的机动性要求,主要表现为翼载荷较高且升力特性不佳。
因而重新选择无尾三角翼布局,取消平尾,放大主翼弦长和面积,从而降低了翼载荷,提高了机动性。
此时的歼九类似没有进气道两侧涡流发生器的幻影2000。
但是在没有幻影2000的数字电传和放宽稳定性设计的技术手段的前提下,该方案所有的俯仰和横滚控制都由主翼后缘的升降副翼来负担,控制困难的问题基本无法解决。
1970年,601所抽出部分力量前往成都空军十三航校进行歼九研制工作,这部分研发人员后来组成了现在的611所,这些人就包括后来的歼九总师王南寿和歼十总师宋文骢。
王南寿老先生是歼八战斗机之父和歼九战斗机之父,顾诵芬其实只负责了歼八2的改进设计。
王南寿与宋文骢都是我国鸭式布局在战斗机应用领域的学术带头人和型号设计师。
歼九下马让王南寿老先生在公众面前出现的机会并不多,但是我们应该记住这位勇于创新,逆流勇进的老前辈。
当时空军对于歼九的要求为双二六,即升限两万六千米和最大速度2.6马赫,另外还要求歼九飞机能够进行8G机动。
应该说,这个指标是相当高的,这个要求不仅仅要求飞机具有相当好的高空高速拦截能力,还要求飞机能够进行大过载机动。
因而对于飞机的气动布局即要求有高的超音速升阻比,也要求有很好的升力特性,歼九原有的气动布局都不能满足这样的高指标,鸭式布局成为唯一的选择。
歼九的气动方案最终被确定为:
整机采用无尾鸭式布局,固定鸭翼安装角为3°,后掠角为55°,主翼为面积50平米的三角翼,后掠角60°,两侧进气道采用二元可调多波系超音速进气道。
与萨博37采用复杂的主翼前缘后掠角设计不同,歼九并无短距起降要求,直接采用了最典型的近距离耦合固定鸭式布局,也并未在鸭翼上布置任何襟翼和副翼。
歼九的主要设计特点是固定安装角为3°的大后掠角鸭翼产生脱体涡与大后掠角三角主翼产生的脱体涡近距离耦合,混合作用的涡流彼此加强,增加了主翼上表面的流速,吹除了主翼上表面的低能量附面层,从而很大的改善了整机升力特性,增强了飞机的拦射性能。
在飞机进行机动时,前翼拉出更加强烈的脱体涡,脱体涡产生的诱导阻力对于机头有一个向后“拉扯”的抬头力矩,让飞机“抬头”更加敏捷,从而增强了飞机的俯仰控制能力,改善了飞机的可用过载,增强了歼九的格斗性能。
在歼九从亚音速逐渐过渡到超音速的过程中,鸭翼产生的升力逐渐增加,在主翼后缘的襟翼辅助下,鸭翼用正升力抵消了升力中心逐渐后移带来的低头力矩,改善了飞机的超音速升阻比,提高了飞机的升限和超音速升阻比。
最终歼九实现了最大速度达到马赫2.5-2.6,升限23000米,最大爬升率220米每秒,基本航程2,000公里,作战半径大于600公里的综合性能,比同步并行研制的歼八飞机性能有明显增强。
遗憾的是,歼九飞机后来随着国民经济调整而下马,我国并未成为瑞典之后第二个装备固定鸭翼布局战斗机的国家。
611所刚刚成立就拿出了歼九鸭式布局的总体设计方案,如果歼九能够成功装备,肯定能成为二代高空高速截击机里最为优秀的型号,可以大大增强我国的国土防空能力。
随着萨博37在近距离耦合技术的突破,法国的幻影3NG、幻影4000、以色列的幼师-C2战斗机都采用了类似的气动布局。
不过这些机型的鸭翼面积相比于萨博37和歼九明显较小,基本类似于一个固定涡流发生器,超音速配平能力体现的并不是很充分。
这是由于当时的控制手段还只能暂时利用鸭式气动布局在涡升力方面的性能优势,而在俯仰控制、超音速配平等方面的优点由于复杂的飞控“门槛”导致还不能被完全开发。
不过同处于二代战斗机水平的常规布局战斗机,还处于保持附着流型以避免和抑制气流分离的水平上。
常规布局对于脱体涡的利用一直到三代战斗机发展的中期阶段产物——常规边条布局,才逐渐实用化。
相对于这一点,固定鸭式布局飞机已经初步采用了脱体涡流型进行气动设计,无疑这是一个巨大的进步。
跳出定势看优劣
鸭式布局被人们所“诟病”的缺点主要有:
对主翼存在不利干扰,鸭翼本身容易失速,操纵非线性严重以及配平难度较大。
这些缺点导致全动鸭式布局飞机设计和控制难度很大,以至于有人认为由于鸭式布局设计因素彼此制约以及固有缺点基本无法消除等原因,鸭式布局飞机不能形成相对于边条常规布局的性能优势。
再加上美国F-16战斗机总师一句“最好的鸭翼是装在别人飞机上的”,更加削弱了公众对于鸭式布局飞机性能的信心。
其实这体现的是长期进行常规布局飞机设计造成的思维定势,在新一代航空技术支持下,通过精心的工程设计,鸭式布局完全能够将劣势基本消除,甚至将缺点扭转为优势,形成对于常规布局飞机的明显性能优势。
这就是后三代战斗机普遍采用鸭式布局的根本原因。
鸭翼对于主翼的不利干扰源于鸭翼在巡航状态下本身产生升力的设计,主要原因是鸭翼产生升力过程中将主翼产生升力的气动潜力给提前“透支”了。
而且鸭翼和主翼几何参数一旦选择不当就会造成鸭翼和主翼之间的干扰阻力明显增加,并且带来俯仰、偏航和横滚性能上的恶化。
不过人类在鸭式布局飞机长期研究过程中逐渐发现,通过精心选取鸭翼与主翼的相对位置和距离,优化鸭式布局飞机控制律等方式,不仅能够有效降低鸭翼对于主翼的不利干扰,而且能够使鸭翼产生对于主翼的有利下洗。
,目前对于鸭翼与主翼位置的认识已经比较明朗,鸭翼的位置最好高于主翼平面,并且鸭翼与主翼的距离越远,超音速阻力越小,但是增升效果越差;鸭翼距离主翼距离越近,超音速阻力越大,但是增升效果越好。
鸭翼在向上偏转一定角度时,气流流过鸭翼之后会对主翼有下洗作用。
当气流下洗扰乱了进入主翼前缘的气流时就会产生不利干扰,降低主翼升力;但是当气流下洗冲刷在主翼上表面时,却可以增加主翼上表面流速、吹除低能量附面层并且推迟了主翼失速,反而改善了主翼升力特性。
因而在工程应用时,不能死板的断然鸭翼对于主翼的干扰是好是坏,要通过控制律的优化进行不同控制模态的选择。
大致来说,在鸭翼干扰不利于主翼升力时,放弃或者减低鸭翼本身产生的升力,此时鸭翼作为单纯的控制翼面而存在,只进行飞机的俯仰控制;在鸭翼干扰具备有利于主翼的情况下,摸清鸭翼偏转角度与改善主翼升力的关系,控制鸭翼偏转在对于主翼干扰角度最佳的角度上。
研究发现尽管对应飞机每一迎角下的鸭翼最优转角不同,但各个迎角下的鸭翼最优转角相对于来流的绝对迎角基本一致(约28°),即鸭翼的最优增升转角只决定于鸭翼自身相对于来流的绝对迎角。
对于鸭翼本身容易失速这个问题而言,自从二代机时代就变成了鸭式布局最重要的性能优势:
近距离涡流耦合增升。
想要进行近距离耦合增升,首先就需要主翼和鸭翼都产生涡流才行。
而气流在鸭翼前缘的分离正是产生涡流的重要条件。
现在鸭式布局研究的问题已经不是如何避免鸭翼气流分离或者失速,而是如何通过鸭翼的气流分离产生更强更稳定的脱体涡。
从这个角度而言,鸭翼的迎角越大,气流分离越严重,就越能产生有利于整机增升的涡流。
大迎角状态下迎角越大,升力特性越好,也是鸭式布局相对于常规布局一个重要的性能优势。
这个优势赋予鸭式布局飞机更好的机动性和敏捷性,因为整机升力特性越好,提供的可用过载越大。
鸭翼与主翼产生的滚滚涡流大幅度地改善了飞机升力系数,提供了极佳的俯仰力矩和盘旋性能。
由于脱体涡非定常特性造成的鸭式布局飞机无法满足线性控制的问题,常规布局飞机在应用了脱体涡流型之后也开始存在类似的问题。
当然鸭翼由于存在上扬发散的问题,非线性控制问题更严重。
这个问题在第三代战斗机时代可以用电传操纵技术完全解决。
以往飞机的控制系统采用驾驶杆、脚蹬,通过机械杆系,经过助力器功率放大之后,驱动舵面偏转,从而产生气动控制力矩,实现各种姿态和稳定控制。
此后随着飞机飞行保险的大幅度扩大,飞机在包线内飞行时操纵性和安定性会发生较大的变化,尤其是中低空亚音速与高空超音速的特性差别相当大,甚至会在跨音速段出现“反操纵”的现象(一般状态下飞机拉杆抬头,推杆低头,“反操纵”现象出现时飞机拉杆低头,推杆抬头)。
为了解决飞机高度和速度大范围变化引起的控制特性的不一致现象,机械操纵系统此后增加了力臂调节器,按照速压和飞行高度自动调节、自动改变驾驶杆到舵面的传动比。
到了上世纪七十年代,飞机的性能越来越高,飞机高空高速拦射性能与格斗性能兼顾的问题非常突出,机械飞控已无法满足战斗机性能要求。
计算机技术的发展和现代控制理论和余度技术的发展,为全权限电传飞控开创了条件。
从此,飞控、气动、结构和发动机成为战斗机设计的四个基本要素。
在电传飞控中,座舱发出的控制指令被飞控计算机接收,并且根据飞机当前状态进行控制指令解算,然后将控制指令信号发送至舵面。
舵面根据飞行员还是飞控计算机的指令进行偏转,是电传飞机与常规飞控系统最大的不同。
飞控计算机飞速的计算能力和对于复杂数学模型的处理能力能够根本上解决脱体涡流型带来的非线性控制问题,并且还能实现控制增稳、舵面最优组合、飞行包线和迎角自动限制、自动驾驶甚至飞控-火控-发动机一体化综合控制能力。
电传飞控还导致战斗机开始具备放宽静稳定性能力。
所谓放宽静稳定性原理,就是允许放宽,甚至取消对于飞行器本身的静稳定性和动稳定性要求,而通过人工稳定技术来满足整个飞行器系统的动态稳定性指标,并使之达到预期的飞行性能要求。
简而言之就是通过将飞机气动焦点置于飞机重心之前的方式,使得飞机处于非稳态。
飞机安定性下降甚至处于不稳定状态很大程度上降低了舵面对于改变飞机状态所需要的力矩。
而由此造成的飞机无法稳定飞行的问题,通过电传飞控实时控制舵面修正来解决。
而鸭式布局飞机配平困难的问题在静不稳定飞机上迎刃而解,由于所需控制力矩缩小,主翼上的襟翼即可产生足够的低头力矩来“制衡”鸭翼带来的高抬头力矩。
放宽静不稳定度技术既极大提高了飞机的敏捷性,又实现了飞机抬头力矩的增加。
由于飞机的气动焦点处于重心之前,飞机升力本身就对飞机有抬头力矩。
在飞机起飞或者拉过载时,不需要鸭翼抬头或者平尾压尾,只需要增加主翼弯度从而增加升力即可实现。
这就是为何我们看到幻影2000战斗机起飞时,无鸭翼抬头的情况下,主翼襟翼并不上翘压尾而是下偏增升,飞机自然而然就会抬头的原因。
应该说数字电传和放宽静稳定技术是鸭式布局能够成功应用最重要的两个技术进展。
目前世界上基本所有全动鸭式布局战斗机都同时应用了这两种技术。
再加上人类对于近耦机理研究的深入等因素,鸭式布局在上世纪九十年代之后实现了一个“大爆发”。
“后三代”鸭式布局点评
萨博37等固定鸭式布局飞机相对于全动鸭式布局飞机来说,依然属于过渡机种,其任务特性是在兼顾二代战斗机高空高速性能特点基础上,改良飞机的升力特性。
进入二十世纪九十年代,随着脱体涡流型和放宽静稳定性技术的成熟应用,以及电传飞控尤其是数字电传飞控的研制成功,全动鸭式布局飞机如同雨后春笋一般涌现出来,最终在“后三代”战斗机时代以欧洲的“台风”、瑞典的“鹰狮”、法国的“阵风”和我国的歼十战斗机的研制成功为标志,达到了鸭式布局在先进高机动性战斗机中应用的高潮。
虽然对于鸭式布局质疑的声音依然存在,但是鸭式布局的发展史证明:
不同的时代,同样的技术能焕发出截然不同的光彩。
F15可以说是三代动力+三代结构+二代半飞控+二代气动的设计思路,在更加强调敏捷性和瞬盘的今天,F15的设计思路无疑已经落后。
与第二代战斗机单纯强调高空高速拦射性能不同,第三代战斗机在兼顾高速拦射能力进行国土防空的同时,强调要增强飞机的跨音速段机动能力和中低空格斗能力。
F-14和F-15是第三代战斗机气动发展第一阶段的产物,主要设计特点为:
并未应用此后三代机普遍应用的脱体涡增升机理,采用二代后期的气动和飞控技术实现三代机的作战性能。
F-14通过可变后掠翼这一二代战斗机技术,具备下视下射能力的机载火控雷达以及大推力涡扇发动机的成熟搭配,跨入了三代机的性能门槛,但是付出了重量增加和结构复杂的代价。
F-15采用典型的“动力足够大,门板都能飞”思路进行设计,在发动机动力充沛的情况下,直接采用增加翼面积降低翼载荷的办法提高机动性,以至于仅仅采用了机械飞控加电子控制增稳的方式就满足了性能要求。
三代战斗机气动发展的第二阶段产物有幻影2000、F-16、苏-27和F/A-18A/B,主要设计特点是采用涡流发生器或者小边条的气动手段实现一定程度的脱体涡流型的应用,并且开始应用模拟电传飞控和放宽静稳定性技术。
第三阶段产物分为两个阵营,一个是以F/A-18E/F和枭龙战斗机为代表的大面积边条常规布局,另外一个就是下面要详细分析的全动鸭式布局。
这个阶段的战斗机气动布局更加深入的挖掘了脱体涡增升潜力,大幅度放宽了飞机的静稳定性设计并且基本全部采用了数字电传技术。
下面笔者就对以色列的LAVI、瑞典的“鹰狮”、欧洲的“台风”、法国的“阵风”和中国的歼十等飞机的鸭式气动布局和飞控设计整体思路和水平进行分析。
LAVI虽然经常被认为与我国的歼十在气动布局上较为相似,但是其实该机被设计失败的鸭式布局坑得太惨了。
以色列的LAVI战斗机,又称“狮”式战斗机,是以色列和美国联合出资研制的轻型战斗机,主要任务为具备较强对地攻击能力和拦射能力的多用途战斗机。
为了兼顾拦射所需要的高空高速能力和对地攻击需要的敏捷性,LAVI战斗机选择了大后掠角的三角鸭翼、大后掠角的梯形下单翼、机腹固定正激波进气道和单垂尾的气动布局。
应该说LAVI战斗机整体气动选择是合理的,大后掠的鸭翼和主翼进行近距离涡流耦合增升从而提高机动性和敏捷性;大后掠角的主翼波阻低、面积大有利于进行超音速拦射;选择机腹进气非常便于调整鸭翼位置。
不过总体布局的合理不能掩盖关键设计上的严重缺陷,LAVI战斗机最终成为现代鸭式布局发展史上少数“牺牲品”。
LAVI战斗机鸭翼与主翼距离非常近,可以说是目前所有鸭式布局飞机中最近的。
其主翼前缘甚至延伸到了鸭翼的垂直投影中,这导致LAVI的近耦格外强烈,在带来很高的升力系统的同时也带来了强烈的上仰效应并且增加了跨音速段阻力。
在鸭式布局设计中,在鸭翼上仰趋势比较严重时,一般会采取主翼后缘前掠或者后移等方式加强襟翼的配平力矩。
可是LAVI偏偏选择了主翼后缘后掠的设计,这样大大降低了主翼后缘襟翼的配平力臂,使之抵消鸭翼上仰趋势的能力大大减弱。
遍览世界上无尾设计以及鸭式布局的飞机,绝大部分都选择了后缘前掠或者平直的三角翼,LAVI这个主翼后缘后掠的设计实在是太匪夷所思了。
笔者认为当时以色列急需改善飞机的升力特性,但是又过度迷信了放宽稳定度对于降低配平力矩的作用。
最奇怪的就是经验丰富的美国却态度暧昧,在以色列犯下如此重要错误的时候,并未给出否定的建议,最终放任LAVI战斗机经过八十余次试飞就宣告无法解决上仰发散的配平问题,从而最终失败。
LAVI战斗机由于气动设计上的关健失误导致飞控无法“挽回”,而“鹰狮”正好相反,通过电传控制律的反复修改弥补了气动布局先天设计缺陷。
瑞典通过在萨博37对于近距离涡流耦合增升的第一次成功实践,更加坚定了使用鸭式布局的信心。
这次瑞典人打算在第三代战斗机上彻底释放鸭式布局的潜力,应用全动鸭式布局。
但是由于总体技术能力和经济因素的限制,“鹰狮”的空重被限制在六吨级别,相对于萨博37十吨的空重,“鹰狮”可谓是实实在在的轻型战斗机。
轻,就意味着设计需要对整机重量“锱铢必较”,这就是限制“鹰狮”气动布局设计最重要的因素。
较小的机身会导致机载武器挂载空间不足,“鹰狮”为了利用机身下强度最好的空间挂载机载武器,采用了能使机身更宽、空间更大的两侧进气设计,相对于机腹进气降低了机身高度,从而制约了鸭翼和主翼之间的布置灵活度。
而较低的机身也导致主翼不能采用下单翼设计,因为下单翼导致主翼距离地面更近,限制了翼下武器挂载和操作空间。
于是采用中单翼和两侧进气设计的“鹰狮”战斗机鸭翼和主翼之间的纵向距离较小,高度差相对于其他鸭式布局飞机更是大幅度减小。
这就导致鸭翼有利
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