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                全球五代機只有中國用鴨翼,這是為何?
                全球五代機只有中國用鴨翼,這是為何?
                 

                有些人認為殲-20的鴨翼是一個失敗設計。

                理由也無非是上圖提到的那些,什么“發動機性能不足的替代方案”“破壞隱身”“美俄五代機都不用鴨翼,所以鴨翼”不好等等。

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                ▲殲-20是唯一使用鴨翼的現役五代機

                鴨翼(Canard)得名于法語中的鴨子,因其安裝在主翼前方,與鴨子的腳蹼相似,故有此別稱。

                早在117年前的1903年,美國萊特兄弟設計的第一架有動力飛機“飛行者1號”(Wright Flyer)就是鴨(前)翼布局。

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                ▲創造歷史的飛行者1號

                也就是說,這種布局才是所有飛機氣動設計的老祖宗,我們司空見慣的后掠翼、三角翼反而是后生晚輩。

                但在隨后的發展中,人們沒有再沿用首先實現飛行的鴨翼設計,而是廣泛改用了平直翼的經典活塞機設計方案,直到二戰結束。

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                ▲美國P-51“野馬”是活塞戰斗機的巔峰之一

                產生這種現象的原因有兩個,一是各飛機制造公司為了規避萊特兄的設計專利,二是鴨翼會增加氣動的不穩定性,當時的技術手段無法實現穩定控制,安全隱患極大(萊特兄弟后來也不用了)。

                但盡管如此,人們對鴨翼的探索并沒有完全中斷。

                上世紀40年代初,美國柯蒂斯-賴特公司(Curtis Wright),為競標美國陸軍航空隊提出的R-40C戰斗機改進計劃,開發了采用鴨翼、后置發動機布局的XP-55“升騰”。

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                ▲奇形怪狀的XP-55

                這種設計在當時看起來十分異類,而且性能和操控較差,三架原型機摔了兩架,造成1名飛行員和4名平民死亡。

                噴氣時代到來,XP-55計劃也就正式下馬了,現存一架孤品展示于密歇根州的卡拉馬祖公園。

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                ▲停放在密歇根州卡拉馬祖公園中的XP-55孤品

                除了美國,日本也在二戰時期探索過鴨翼。

                1943年,海軍航空技術廠著手試制J7W1——震電(也叫震電、しんでん)戰斗機,它也采用了鴨翼+后置發動機的氣動布局。

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                ▲震電長得樣子和美國那個XP-55差不多。日本人還聲稱震電擊落過B-29,但始終拿不出實錘

                但隨著日本戰敗,這種飛機也沒能量產。

                值得注意的是,二戰期間嘗試鴨翼的還有意大利的Ambrosini SS.4、英國的Miles M.39B Libellula“蜻蜓”。

                這么多國家都在研究“鴨翼”,足以說明大家都意識到了鴨翼的潛力。

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                ▲英國皇家空軍的鴨翼概念機

                那么這種設計的優點在哪里?又為什么會引得如此多的國家紛紛投入人力物力去研究?

                概括地講,鴨翼具有提升操控性、失速攻角、升力系數的作用,需要時也能充當俯仰軸,可謂好處多多。

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                ▲意大利Ambrosini SS.4

                然而,“鴨翼”并不是給飛機插上一對小翅膀這么簡單,它需要完美融合空氣動力學、飛行控制系統、機體結構設計等方方面面的問題,研制難度大、風險高。

                這就使得不少國家即使投入大量人力物力,在受到技術限制后,只能無奈放棄。

                因此直到今天,鴨翼也被視為“非主流”,前文提到的四種驗證設計在當時的歷史背景下更是異類中的異類,奇葩中的奇葩。

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                ▲鴨翼+后置渦槳的設計并未完全消失,圖為采用同類布局的“比奇星際戰艦”(客機)

                直到超音速時代到來,各國空軍對新型氣動布局的需求,極大刺激了機型設計的革新與探索,塵封數十年的鴨翼這才有重見天日的機會。

                猶豫就會敗北,果斷全都白給,鷹醬和毛熊,率先開始論證鴨翼+三角翼這種全新組合的可行性。

                北美航空拿出的方案是XB-70“女武神”超音速轟炸機,而蘇霍伊則用T-4與之對標,二者均以3馬赫的巡航速度為主要看點(3馬赫巡航的轟炸機,擱今天也是黑科技)。

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                ▲XB-70“女武神”超音速轟炸機

                可惜二者因為技術不成熟、洲際導彈成為核心威懾力量等原因雙雙下馬。

                1981年,瑞典薩博-37“雷”式戰斗機正式服役,它被公認為最早采用鴨翼的量產型現代戰斗機。

                然而這種激進而罕見的設計,卻在當時引起了廣泛的爭議。

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                ▲薩博-37“雷”式戰斗機

                但事實證明,“雷”式的鴨式布局是一種非常成功的設計,它有效平衡了短距起降、超音速、亞音速和低速段飛行時不同氣動需求間的矛盾,同時提高了升力與操控性,用實際效果證明了鴨翼的價值。

                此后,鴨翼開始逐漸被航空界所接受,部分北約成員國和蘇聯都點開了鴨翼的科技樹,時至今日仍有臺風、陣風、Su-33、Su-34等耳熟能詳戰機裝有鴨翼。

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                ▲法國“陣風”戰斗機

                在這股大潮中,我種花家并沒有當看客,也在很早就開始了相關研究和應用嘗試。

                1964年上馬立項的殲-9截擊機,就首次采用了我們從未嘗試過的鴨式布局,可見當時中國的飛機制造者,已經注意到鴨翼的潛在優勢。

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                ▲殲-9截擊機的氣動模型

                盡管殲-9因為材料工藝等問題沒有修成正果,但我們獲取了大量氣動數據,為中國鴨式布局的理論研究打下了堅實基礎,日后殲-10、殲-20的成功研制亦從中受惠。

                鴨翼從被排斥到被接受,電傳操縱系統逐漸成熟也是前提之一,但自身設計的變化同樣重要,尤其是近距耦合概念的出現,使得鴨翼具備了“金坷垃”般的功效——渦流增升(不是骨質增生,謝謝)。

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                工程師們發現,當大后掠角的鴨翼位于主翼前上方不遠處時,鴨翼產生的渦流會向下附著到主翼上,與主翼自身的渦流互相作用,進而形成包覆主翼的低壓區,產生減少阻力、增加升力的效果,這便是“耦合作用”或“耦合現象。”

                耦合作用在鴨翼+三角翼的機體布局中尤為明顯,又因這種布局的鴨翼和主翼距離很近,因此被稱為“近距耦合”或“緊密耦合”。(實際上能夠產生耦合作用的都可以被歸類為近距耦合)

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                美蘇早期實驗的XB-70與T-4時,都沒有產生這種效果,因為它們的鴨翼是被設計用來抵消高速飛行時,主翼升力過大產生的重心后移,防止俯仰軸失控和一定的配平輔助操作。

                由于鴨翼和主翼之間的距離非常遠(跟轟炸機巨大的身形也有關系),所產生的渦流也不足以與主翼形成耦合,所以當時的工程師并未意識到鴨翼的巨大潛力。

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                ▲前蘇聯T-4轟炸機

                兩個超級大國領先起跑,卻是瑞典人對近距耦合的成功應用,給了全世界一個標桿式的范例,讓大家看到了鴨翼還能這么玩。

                當然會有不少人有疑問了,既然鴨翼有那么多的好處,為什么美國不喜歡鴨翼?

                美國人當然不傻,他們可是一直在投入大量精力去研究鴨翼。

                除了上文提到的飛行者1號、XP-55、XB-70,美國還在冷戰時期測式過前掠翼布局的X-29,和采用矢量推力的F-15STOL/MTD。

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                ▲同時測試近距耦合與矢量推力的F-15STOL/MTD

                至于搞到最后得出“鴨翼最好裝在敵人飛機上”這個結論,主要有兩方面的原因。

                首先,鴨翼的存在,很大程度上是為了彌補發動機推力不足。

                比如中國的殲-10、歐洲的臺風、陣風都采用鴨翼+三角翼,確實有發動機性能較弱的因素。

                所以要在氣動上下功夫來提高飛行性能,拉平甚至超越美國同類戰機(F-16)的機動性。

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                ▲臺風戰斗機碩大的鴨翼

                當然這么做是有代價的,比如復雜的氣動模型與操縱系統、鴨翼和腹鰭的額外重量等,只不過在沒有大推力先進航發的情況下,這種代價可以被接受,或者說別無選擇。

                但美國不一樣啊,人家擁有最為發達成熟的航空發動機工業,發動機推力綽綽有余,自然不需要鴨翼和它產生的負面效果。

                這就叫“一力降十會”。

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                ▲X-29驗證機,前掠翼+鴨翼的布局比俄羅斯Su-47早很多年

                另一方面,蘇聯解體讓美國的國防壓力驟降,且空軍的核心戰斗機群已經由F-15和F-16組成并定型。

                在本身就占據性能和數量優勢(性能優勢是相對的,但數量優勢是絕對的)的情況下不宜,也不需要增添變數太大的新機種。

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                ▲F-15表演大象漫步,這種陣仗也就美國玩得起

                最終,美國對鴨翼的研究止步于90年代,后續研究轉入超音速飛行特征等領域,主要目的是獲取資料、完善理論,軍方已經沒什么興趣了。

                而在所有五代機當中,只有殲-20使用鴨翼的主要原因的確如上文所述:

                我們的發動機還不夠好。

                美國有F-119、F-135這樣的頂級大推,俄羅斯有AL-41這樣次一級但也很厲害的發動機,他們不用擔心推重比不夠,的確沒必要用鴨翼。

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                ▲F-35使用的F-135發動機,其性能要比國產WS-10系列領先30年左右

                殲-20仍需使用技術標準參考AL-31的WS-10。

                短時間內無法解決航發問題,是殲-20在研發階段就已經預見到的,因此氣動布局必然要基于現有條件來做指導參考,鴨翼也就成為達成超機動性目標的必要途徑。

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                換句話說就是,“中國鴨王”的技術日趨精熟,是“心臟病”倒逼出來的。

                我們甚至可以認為,“鴨翼最好裝在敵人飛機上”這句話的潛在含義是:“希望敵人永遠造不出先進航發,只能靠鴨翼彌補性能。”

                說到這大家可能會泄氣,原來殲-20的鴨翼真是無選之選啊?

                非也!發動機的確有缺憾,但成飛通過巧妙布置,幾乎將鴨翼的性能挖掘到極限,使殲-20的機動性同樣出色。

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                設計團隊干了一件特別逆天的事,那就是在殲-20的氣動系統中,整體設計了四個渦流發生器,分別是菱形的雷達整流罩、鴨翼、大邊條和主翼前緣,大幅提升渦流增升效果的同時,發揮出了鴨翼長力臂的操控性優勢。

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                ▲感受一下殲20這大迎角殷麥曼回旋的酸爽

                至于鴨翼會破壞隱身這個問題,成飛的解決方案,是讓鴨翼和主翼處在同一水平面,但鴨翼上翹、主翼下翻,既不耽誤渦流耦合還能降低反射率,對RCS造成的干擾可以忽略不計了。

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                ▲20姬的鴨翼和主翼雖然處在同一平面,但角度不一樣

                就這樣,殲-20成為了該領域獨步天下的“鴨王”。

                除了成飛,目前世界上還沒有第二家設計制造單位,能同時做到既滿足隱身需要、又保留提高升力和操控性的優勢、還解決了不穩定難控制的特征!

                作為第一、也是唯一一種使用鴨式布局的五代機,殲-20的氣動模型之復雜稀世罕見,中國為彌補航發短板所下的苦心可見一斑。

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                ▲鴨翼與大邊條特寫

                從殲-9立項到殲-20成軍的半個世紀中,中國戰機的發展之路走得很苦澀,深挖已極的鴨翼背后始終是發動機這個痛點。

                也許有一天我們不再需要鴨翼,但今天為之付出的努力卻不能被忘記,鴨式布局的廣泛應用不僅解決了當前的實際需要,也充實了理論基礎,是中國航空發展史上匠心獨運的一筆濃墨。

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