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      @航空愛好者,帶你了解戰機“隱性”翅膀那些事兒

      來源:中國軍網-解放軍報作者:儀艷磊 蔣天合 張光山責任編輯:姬彩紅
      2020-08-07 06:51

      戰機“隱性”翅膀那些事兒

      ——淺談世界主流戰機氣動布局流行款式及發展趨勢

      ■儀艷磊 蔣天合 張光山

      蘇-57戰機 資料圖片

      2020年7月15日,國家知識產權局官方公布了第二十一屆中國專利獎評審結果,中國航空工業集團公司成都飛機設計研究所的“升力體邊條翼鴨式布局飛機”外觀設計專利榮獲金獎。由此,升力體、邊條翼、鴨式布局這些助飛戰機的“隱性”翅膀,再次成為航空愛好者關注的熱點。本期《兵器大觀》特別邀請有關專家為您解讀相關內容。

      戰機氣動布局的“三大寶”

      除少數垂直起降戰機在起降階段靠改變氣流方向來產生升力外,大多數飛機都是靠運動過程中機翼產生升力來克服重力的。

      機翼升力產生的原因比較復雜,相關理論也較多,很少有哪種理論能夠完全解開升力產生的全部秘密。但有一點可以確定,飛機升力主要來源于機翼上下表面氣流的速度差導致的氣壓差,升力的大小與氣流運動的速度、空氣的密度、機翼的面積和機翼角度有關。

      當然,飛機飛行時也會遇到各種阻力,如摩擦阻力、壓差阻力、誘導阻力、干擾阻力和波阻力等。不斷優化氣動布局,其作用就是增加升力、推力和安全性,減少各種阻力。

      氣動布局是決定戰斗機機動性的重要因素之一。升力體、邊條翼、鴨式布局與機翼相比不夠“顯眼”,屬于戰機“隱性”的翅膀。從作用上講,它們算得上是現役主流戰機氣動布局的“三大寶”,在世界各主流戰機上發揮著重要作用。

      升力體布局。相對于傳統飛行器的機翼設計,升力體是一種完全不同的概念,它采用三維設計的翼身融合體來產生升力。這種設計可在較低速度下獲得較大的升力。

      自從1957年艾格爾斯和阿倫兩位科學家偶然發現這種設計的優勢后,美國和蘇聯就開始了相關研究。美國的航天運載飛行器“冒險星”的1/2比例原型機X-33、太空救生船原型機X-38均采用了升力體構型。

      采用升力體設計的三代飛機有蘇-27、米格-29等;四代機中有F-22、F-35、蘇-57等,其中蘇-57的升力體設計特征更加明顯,機身寬大,升力更強,阻力更小。

      邊條翼布局。作為50年代中期出現的設計,邊條翼是在常規后掠翼或三角翼布局基礎上,在機翼前緣翼根部延伸出的一對貼近機身的狹長、尖前緣、大后掠細長翼片。通常邊條翼都設計成與機身和主翼完全融合的形式,形成復合機翼,可改善戰機的機動性、過失速特性,特別是能有效提升飛機升力。它通常分為機翼邊條和機身邊條。

      鴨翼布局。又稱前置翼或前翼。早在1903年,萊特兄弟的飛行器就使用了前翼配置。這種配置的特點是將水平穩定面放在主翼前面。

      采用鴨翼的飛機布局稱為鴨式布局,代表機型包括俄羅斯的部分蘇-35、蘇-34、蘇-30MKI,歐洲的“臺風”“陣風”和“鷹獅”戰斗機等。

      有的戰斗機鴨翼不能操縱,有的則可操縱。鴨翼可操縱的如歐洲的“臺風”“陣風”和“鷹獅”等,這類鴨翼除了可產生渦流升力外,還用于改善跨聲速過程中安定性驟降的問題。降落時,可操縱鴨翼偏轉角度,起到減速板的作用。

      根據安裝位置,鴨翼可分為上、中、下三種配置,綜合考慮升力和失速迎角效果等因素,鴨翼布局的飛機常采用上鴨翼和中鴨翼。

      組合不是簡單問題,關乎創新與實力

      不同的氣動布局在不同的飛行狀態下各有所長。作戰需求不同,戰機對氣動布局“三大寶”的選擇及組合方式也不同。

      邊條翼和升力體組合。對戰斗機來說,采用邊條翼能改善飛行性能,克服常規后掠翼、變后掠翼飛機在低速特性、波阻、飛行穩定性等方面的不足。采用升力體則可增加戰機內部有效空間,降低飛行阻力,提高高速飛行能力。因此,F-22、F-35、蘇-57、蘇-27和米格-29等都采用了邊條翼和升力體相結合的布局。

      第一種成功采用邊條翼并結合主動控制技術的是F-16戰斗機,但將邊條翼和升力體結合得較好的是F-22。它的邊條翼從機頭頂點延伸到翼根,與機身和進氣道融為一體,共同形成一個升力體,在產生更大升力的同時,也增加了飛行穩定性。

      鴨翼與邊條翼組合?,F代飛行器為提升升力系數,不少選擇了鴨翼和邊條翼共存的布局。比如,俄羅斯的部分蘇-35、蘇-34、蘇-30MKI,歐洲的“臺風”“陣風”和“鷹獅”等都是如此。

      這種氣動布局的戰機擁有更好升力和敏捷性。鴨翼尺寸一般比較大且與機翼分開,在一定條件下產生的附加升力比細長形的邊條翼大。邊條翼在某些情況下,又能比鴨翼產生更大升力。兩者的組合相得益彰。除了增加升力,鴨翼還有利于保持飛機的飛行穩定性和可控性。

      美國和俄羅斯第四代戰斗機采用的是常規氣動布局,未采用鴨式氣動布局。原因很多,其中之一就是采用鴨式布局時,飛控處理較為困難,而且會給戰機隱身設計帶來更大難度,所以他們回避了這一布局設計。

      升力體邊條翼鴨式布局組合。飛機的氣動布局設計,不僅要考慮到飛機機動性,還要考慮穩定性、操縱性、強度、剛度等一系列問題。特別是現代飛機追求高機動和高速度,對氣動布局的要求更加苛刻。

      全球同時采用鴨翼、邊條翼和升力體氣動布局的戰機很少,一個最主要的原因就是如此組合設計難度很大。但是,中國航空工業集團公司成都飛機設計研究所顯然成功攻克了一系列相關難題,這也是其設計獲獎的原因。

      采用鴨翼和邊條翼設計,就必須面對鴨翼、邊條翼和主翼的工作匹配問題。這兩者如果與升力體設計同時采用,則要面對的問題會更多,其大小、形狀、位置等參數都需要通過精確計算和大量風洞試驗才能獲得,如此,組合才能達到最優。而且,在增效的同時如何減重,怎樣在重量和飛行效能中間取得平衡,也是設計人員必須面對的問題。這些,都會使相關設計難度大增。

      這種組合,不是簡單的搭配,而是無數次測試與風洞試驗的結果,關乎創新與實力。

      “三大寶”,未來能否隨著戰斗機一起飛

      未來戰斗機的發展,重點是提高全高度、全天候、全方位空戰能力。一些專家將其主要特征概括為“六超”,即:超扁平外形、超聲速巡航、超常規機動、超遠程打擊、超維度物聯、超域界控制。

      綜合各國對下一代戰斗機的預期和理解,推測下一代戰斗機有可能配備人工智能和量子雷達,具備在無人參與的情況下遂行戰斗任務的能力,能夠達到高超聲速,出入近太空,并可使用新物理原理武器等。因此,有人/無人控制系統、提高隱身性、改進飛行性能和通信系統是下一代戰斗機的關鍵標準。其中,有人/無人控制系統、隱身性、高超聲速飛行性能等,都將基于飛機氣動布局的全面創新。這就決定了氣動布局設計仍將是新形勢下的“老命題”。

      升力體布局是未來戰斗機的流行模式。未來戰機被期待具有大掛載量,這就需要采用翼身融合的升力體布局,來實現機翼加大載油量和機身增加升力。鑒于探測技術突飛猛進,為提高在戰場的生存力,未來戰斗機必將采用更強悍的隱身設計,其中飛機布局上極有可能采用超聲速無尾三角翼升力體設計,徹底取消平尾和垂尾。全翼身融合和大升阻比的升力體設計,可以使戰機獲得更高的機動性和隱身能力。

      邊條翼布局或將是未來戰斗機的標配。采用中等后掠翼加大邊條翼是第三代高機動性戰斗機的典型設計。第四代戰機如F-22采用了特殊的邊條翼布局,F-35、蘇-57等也采用了特殊的邊條翼設計,因而具有優良的飛行品質。未來戰斗機一般是現有戰斗機技術的延伸,因此,邊條翼布局仍將是未來戰斗機不可或缺的設計,只是其設計將更加超前與合理。

      未來戰斗機也可能采用鴨式布局。鴨式布局的戰斗機,基本上可以排除失速的可能性,即飛機不會進入“螺旋”。為避免傳統鴨式布局的不足,未來戰斗機有可能設計成升力體鴨式布局,即讓升力體機身起到鴨翼的功能,以便戰斗機高速飛行和機動。這一布局可能成為未來飛行器的基礎。

      乘波體布局可能應用于未來戰斗機。乘波體的概念如今已在一些高超聲速導彈上有所體現。下一代戰機具有無人駕駛、速度快、高度高、巡航距離遠、突防能力強等特點,很可能采用一種高升阻比和強機動性的氣動外形。適合高超聲速飛行器的外形有升力體、翼身融合體、軸對稱旋成體、乘波體等。因此,乘波體構型也可能是未來戰斗機發展的趨勢之一。

      (編者注:為表述統一,本文戰機劃代均按我國軍方劃代標準。)

      (作者單位:空軍研究院、南昌航空大學)

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