苹果开发者官网:航空知识特稿:歼10气动布局特点及战斗性能分析

白头翁

2007年03月21日 航空知识

国产歼10双座型战斗教练机

静安定度的后尾式、无尾式和鸭式飞纵向配平方式的示意图

　　文／傅前哨

　　歼一10战斗机采用了鸭式气动布局，这在我国研制成功的战斗机中还是首次。在世界战斗机的大家庭中，有一些比较先进的战斗机也采用了类似的布局，如瑞典的Saab一37“雷”、JAS 39，法国的“幻影”ⅢNG、“幻影”4000、“阵风”，以色列的“幼狮”C2、“狮”，俄罗斯的米格1.44以及西欧四国合作研制的EF2000“台风”等等。随着航空技术的深入发展，新型鸭式战斗机方案不断出现，并跻身先进战斗机的行列。那么，鸭式布局战斗机有些什么特点，其气动特性又如何呢?

　　高低速性能好

　　采用后尾式和无尾式气动布局的普通高速飞机，由于种种原因，其低速性能往往不佳。而鸭式布局则可以满足战斗机对高、低速。性能的要求。因为这种布局能很好地兼顾高速飞机所需的细长体外形和飞机实现短距起落所需的高配平升力系数。这是因为：一方面，细长鸭式布局在由亚声速过渡到超声速时，其焦点移动而引起的安定度增量比后尾式要小，这对高速机动飞行是有利的。另一方面，在大迎角进场或飞行时，它又能产生比后尾式和无尾式飞机高得多的配平升力。这说明它亦适合低速飞行。

　　配平升力高

　　图一是静安定度的后尾式、无尾式和鸭式飞机纵向配平方式的示意图。飞机在空中做定常水平飞行时，其重力与升力，推力和阻力是相等的，全机力矩也是平衡的。为获得配平力歼一10A用的鸭式布局方案虽然在中国早期歼一9概念中曾有过体现，但其中涉及的诸多技术问题是在歼一lO上获得了最终的完美解决刘应华摄矩，无尾式及后尾式飞机需要付出一定的升力代价。在飞行中，机翼的升力Y及全机零升力矩Mzo对飞机重心要产生一个低头力矩。为平衡这个力矩，无尾式飞机要上偏升降襟翼，后尾式飞机要上偏转升降舵，以便产生一个负升力去配平，致使全机升力下降。当然，小迎角飞行时平尾的负荷不大，它付出的升力代价也很小。但是当飞机以大迎角飞行，并采取增升措施时(例如放襟翼)形势就恶化了。因为增升时会带来很大的附加低头力矩。为配平这些附加力矩，平尾后缘必须上偏很大的角度，这将使增升效果显著降抵。倘若机翼采用高度增升的方法。有时连配平都很困难了，只好在平尾上采取高度增加负升力的措施。国外不乏这方面的例子。美国的F一4飞机由于在后缘襟翼上采取了附面层控制技术，使低头力矩增加很多，结果尾翼在配平时已接近失速，只好对平尾进行修改，使前缘上翘，将翼型变为反弯度的。而日本的PS一1水上飞机则是在尾翼下表面吹气以增加负升力。后尾式布局尚且如此，无尾式飞机配平高升力就更困难了。

　　相比之下，鸭式布局比后尾式及无尾式布局优越之处在于：其抬头俯仰力矩可由飞机重心前的正升力面(鸭翼)提供。这真是一举两得：既提供了配平力矩，又增加了升力。那么为什么以前人们很少采用鸭式布局呢?这是因为常规的鸭式飞机有三大缺点：(1)前翼对主翼存在着强烈的下洗，使主翼升力降低。尽管前翼的升力是正的，弥补了部分升力损失，但配平时的总升力不见得比后尾式高很多。(2)鸭式布局配平问题不好解决。一般情况下。鸭翼的负荷要比尾翼大，往往为尾翼的3～4倍。因为把鸭翼放到前面，全机焦点随之前移，重心也需向前调整。这样鸭翼离重心的位置近，力臂短，使它的配平能力受到限制。再加上主翼对前翼有上洗，在大迎角时前翼容易先失速。这对起飞着陆和大迎角机动来说是不利的。直到上世纪60年代末瑞典人研制成功Saab一37飞机后，这些缺点才得到了一定程度的克服。作为M数为2一级的飞机，Saab一37没有采用复杂的增升措施就使起降距离缩短N400多米，达到了短距起落的要求。这一成就引起了国际上的广泛注意。Saab一37采用的是近距耦合鸭式布局，利用前后翼间脱体涡的有利干扰实现了高升力。(3)由于脱体涡在主翼面上的生成、发展、破裂和漂移对飞机的升力和纵横向的力矩特性影响很大，使得纵向力矩曲线出现极严重的非线性化，并导致了飞机的操稳品质变差。为了解决这一问题，常规鸭式布局飞机不得不增大飞机的安定度，以求得纵向力矩曲线变得较直。这样一来，飞机的配平阻力增大，前翼的配平能力减小，导致飞机的机动性和起降性能变差。

　　解决的办法之一是采用电传操纵系统，放宽静稳定性。

空军歼10双机准备编队升空

图中虚线代表总升力而点划线全表位流升力，两条线的差别就是理论涡升力。

于有了涡升力，三角翼的升力线斜率和最大升力系数等均大大提高。如果把大后掠角的鸭翼和主翼近距耦合配置，便会产生有利干扰，而脱体涡的效率会更高，涡升力也更大

　　利用脱体涡获得高升力

　　人们通过实验发现：45度以上的大后掠角薄翼在迎角很小时，气流就从前缘分离，并卷成一脱体旋涡。此脱体涡的涡心压力很低，由于上下压力差的作用，使得翼面的升力有所提高。我们知道，三角翼总升力等于位流升力和涡升力之和。

　　位流升力是根据位流理论计算出来的升力。图二中虚线代表总升力，而点划线代表位流升力(圆圈为实验点)，两条线的差别就是理论涡升力。可见，由于有了涡升力，三角翼的升力线斜率和最大升力系数等均大大提高。如果把大后掠角的鸭翼和主翼近距耦合配置，便会产生有利干扰，而脱体涡的效率会更高，涡升力也更大(图三)。当鸭翼置于主翼的前上方时，前翼脱体涡因进入了主翼上表面的低压区而有利于涡心的稳定，延迟了旋涡的破裂并提高了前翼的失速迎角。此外，前翼脱体涡不但在前翼上诱导出涡升力，而且它在扫过主翼上表面时也给主翼诱导出一个涡升力。前翼涡的存在还有助于控制在主翼上形成的前缘涡，而延迟了主翼的失速。由于主翼一方面受到前翼的下洗(内翼段)，另一方面也受到前翼的上洗(外翼段)，所以使总的下洗量减轻。由于这些有利干扰的存在，近距耦合鸭式飞机在大迎角时升力较高，而失速迎角也较大(可达30度以上，而普通后尾式飞机的失速迎角只有十几度)。这对于扩大飞机的机动飞行范围和改善高速飞机的起降性能都具有重要意义。

　　在前后翼的相互干扰中，除了前翼对主翼的下洗为不利干扰外，其它均为有利干扰，这就使得近距耦合鸭式飞机比相同翼面积的普通鸭式飞机的升力大很多。在起飞状态下，近距耦合鸭式飞机可比无尾三角翼飞机的升力系数高出一倍!

　　当然，由于下洗的干扰量很大，在小迎角时有利干扰还不足以抵消不利干扰。即便是这样，在小迎角时，近距耦合鸭式飞机的最大升阻比已相当于同级后尾式飞机了。随着迎角的增大，有利干扰量逐渐大于不利干扰量。当迎角达到16度左右时，近距耦合鸭式飞机的有利干扰便超过了不利干扰，其全机升力系数已高于单独前翼与单独主翼升力系数之和，这是普通后尾式飞机所不能及的。因为对后尾式飞机来说。也存在主翼对尾翼的下洗问题，而且此不利干扰还随迎角的增大而增大。即使让尾翼也产生正升力，它的全机升力系数也始终低于两个单独翼面的升力系数之和。

　　擦地角大

　　鸭式布局的飞机还有一个优点：由于主翼在后面，机身尾部短，擦地角(机尾触地的角度，由主轮和尾喷口之间的连线与地面水平线之间的夹角确定)可以设计得比较大，这有利于飞机以较高的迎角(14度～18度)起降。而普通后尾式飞机的后机身较长，擦地角往往只有8度、9度。

　　近距耦合鸭式飞机也还存在着缺点：配平困难的矛盾没有得到根本的解决，这就大大地限制了它的使用范围和性能的发挥。为了克服此矛盾，国内外的飞机设计部门采取了一系列技术。例如采用展向吹气或弦向吹气的方法提高前翼的配平能力；或者采用电传操纵系统和主动技术放宽飞机的静安定余度，把前翼从沉重的负担中解放出来，并且利用前翼和主翼动翼面的协调动作去实现直接升力和直接侧力控制。“阵风”和“台风”及JAS 39等新一代采用鸭式气动布局的战斗机均装有电传操纵系统，可以实现主动控制，所以它比Saab-37更前进了一步，气动性能也大幅度提高。

　　新型鸭式飞机已经在上世纪90年代崭露头角，而且在气动上它们还大有潜力可挖。可以预言，随着二元喷口、复合材料、前掠、动力增升以及主动控制等新技术的应用，鸭式飞机的性能将会有更大的提高。

空军歼10战机空中机动展示

　　看图识歼一10

　　飞机研制是一个复杂的系统工程，涉及到气动、结构、材料、电子、机械、动力装置等方方面面的学科，需要在研制的过程中不断地进行综合权衡，不断地解决出现的新问题，历经多年才能完成一个研制周期。可以说，现代飞机尤其是先进的战斗机是代表一个国家技术水平的典型产品，是一个时代的科技结晶。

　　新机设计的第一项工作是根据军方的战术技术指标要求，给出所要研制的飞机的推重比和翼载荷。有了推重比和翼载荷这两个参数，飞机的大小、尺寸、动力装置、翼面积等便大致确定了。接下来遇到的第一个问题便是：为满足速度、高度、航程、载弹量等主要要求，应选择什么样的气动布局，采用什么样的主翼。然后，对几种候选方案进行数值计算和一系列的风洞选型实验，直至确定出一个最理想的基本外形。在随后的一段时间内，仍需对该方案进行不断的修改、完善，直至飞机上天。在飞机试飞阶段，根据实际飞行的情况，再作一些必要的改进。可以说，飞机的气动设计工作贯穿新机研制工作的始终。而最关键的技术决策，是对飞机气动布局和基本外形的选择。因为它关系到后面的一系列开发工作和巨额投资。

　　什么是飞机的气动布局?气动布局通常是指其不同的气动力承受面的形式。整个承力面系统特性决定了各承力面之间的相互位置以及各承力面的相对尺寸和形状。

　　按辅助翼面与机翼相对位置的不同，有以下几种气动布局形式：

　　A.“常规”式(即后尾式)，水平尾翼(安定面)在机翼的后面；

　　B.“鸭”式，水平前翼(安定面)在机翼的前面；

　　C“无尾”式或“飞翼”式，飞机只有一个主承力面；

　　D：“三翼面”式，在机翼的前面和后面各有一个辅助翼面；

　　E.“串列”式，前后两个机翼的翼展、面积一样大，或接近。

　　从莱特兄弟的第一架飞机升空到现在，飞机的气动布局主要就是以上这几种。

　　任何一种气动布局都有其长处，也有其不足。飞机设计师的任务就是，尽可能地发挥所选布局的优点，缩小它们的缺点。世界上新一代战斗机之所以大部分都采用了鸭式气动布局，自然有其道理。因为通过几十年的努力，采用该布局的飞机在气动上的优势已大大扩展，而弱点则得到了一定程度的克服。在主要的气动特性方面，鸭式布局飞机已取得了非常明显的进步。

　　2006年12月30日，《解放军报》刊发了《我新一代歼一10战鹰列阵领空》的消息：记者从权威部门获悉，歼一10战斗机目前已批量装备部队，这对于有效提高我空军防卫作战能力，加快我军武器装备现代化建设步伐具有重大意义。

　　从公开发表的歼一10的照片分析，这种新型国产战斗机的主翼为面积较大的、后缘略带前掠的三角翼。在主翼上方不远处的前机身两侧布置了一对鸭式前翼，其构形是非常典型的近距耦合鸭式气动布局。由此可以看出，歼一10战斗机所采用的气动布局是与世界先进航空技术潮流合拍的。由于能够充分利用前翼产生的脱体涡对主翼形成的有利干扰。其最大升力系数应该很高；再加上主翼的面积大、翼载荷小。它的空战机动性能肯定不错。

　　该机的机翼与机身之间的过渡区明显采用了翼身融合体设计，不但“浸润”面积小、阻力小、雷达反射截面积小，还大大增强了结构，扩大了机内容积。由此可以看出，其机内的载油系数较高，航程和作战半径应该较大。

　　歼一10采用了可调式腹部进气道，这种进气道的外形阻力本来就比两侧进气方案的阻力要小，再加上其进气道可以随M数的变化自动进行调节，推力损失小。因此，可以推断出，该机的高空、高速性能和低空突防性能应该很好，明显优于F一16、F／A一18M采用固定式不可调进气道的飞机方案。

　　歼一10的主起落架为“外八字”式机身起落架，与采用机翼起落架的方案相比，其主翼下表面比较“干净”，不受主起落架收放的影响，可布置更多的挂架；而且能在翼根部位挂载一些比较长、大、重的载荷。由此可以看出。它的外挂能力较强。

　　该机的主起落架的位置比较靠后，擦尾角比较大。通过照片分析，在起降过程中，其前翼是上偏的，而襟翼是下偏的，对照国外的“阵风”、“台风”战斗机在起降时相关翼面的偏转情况(它们的襟翼基本上不能放下)，可以推断出：在条件相当的前提下，歼一10的短距起降性能要高于国外第四代战斗机的水平。

　　飞机的擦尾角与“防倒角”之间是有一定关系的。通过“防倒角”基本上就可以确定出全机重心的位置。由歼一10主起落的设置情况看，该机的重心位置比较靠后，距离鸭式前翼的位置比较远。这只有一种解释：该机是静不安定的，而放宽了静稳定余度的飞机必然要配备电传操纵系统。

　　毫无疑问，采用了近距耦合鸭式布局、翼身融合体、电传操纵系统、可调式腹部进气道等先进技术的歼一10战斗机，仅仅从气动特性的角度看，就会是一架最大升力系数大、可用配平升力系数大、翼载荷小、超声速阻力小、中低空机动性能好、外挂能力强、起降滑跑距离短的优秀机型，完全可以跻身于世界先进战斗机的行列。

　　歼一10战斗机采用了鸭式气动布局，这在我国研制成功的战斗机中还是首次。在世界战斗机的大家庭中，有一些比较先进的战斗机也采用了类似的布局，如瑞典的Saab一37“雷”、JAS 39，法国的“幻影”ⅢNG、“幻影”4000、“阵风”，以色列的“幼狮”C2、“狮”，俄罗斯的米格1.44以及西欧四国合作研制的EF2000“台风”等等。

中国空军歼10战机鸭式布局清晰可见

上世纪60年代瑞典Saab-37战斗机的成功无疑为鸭式布局飞机的发展树立了一座重要里程碑。

瑞典空军最新型JAS-39鹰狮战斗机

法国达索公司研制的阵风舰载战斗机

欧洲四国联合研制的台风战斗机

法国达索公司研制幻影4000战斗机

以色列幼狮II战斗机也采用鸭式布局。图为哥伦比亚空军装备的幼狮战机

俄制米格1.44第五代验证机四视图