果壳问答 傅里叶变黄油猫 18:00

那是飞機表面涡流导致空气中的水蒸气凝结成雾军迷看这些“白烟”就可以滔滔不绝给你讲这架飞机的气动设计是如何利用涡流的。

问题中图嘚情况比较复杂比较简单常见的情况是飞机平飞时主翼拉出的涡流：

飞机能飞的重要原因是机翼上表面是曲面，空气流经速度较高根據伯努利定律气压较低，上下表面气压差支持飞机空中飞行也导致下表面的空气绕过翼尖吹到上面，就像你走在沙滩上沙子会从你脚周围绕上来。然后这些空气会在飞机后方一圈一圈地打转，直到能量用完那就是涡流了。涡流中气压较低减压会导致空气中水蒸气凝结成雾，所以看雾就知道飞机表面哪里的涡流厉害

涡流会消耗掉飞机的动力，就像你在沙子上跑比在水泥路上跑累得多一些飞机的主翼末端微微翘起，那叫“小翼”可以削弱涡流。涡流不总是有害战斗机就经常利用涡流，因为涡流中气压低流经主翼上方可以让主翼产生额外的升力，从而提高战机的机动性这是你发的图片：

图片中战机正在做机动（快速改变飞行方向），可以看到鸭翼（飞机前半部两片较小的翼面）和主翼之间的“边条翼”拉出了较强的涡流加强了主翼的升力。利用边条翼提高机动性是现代战机的常见设计

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，让飞机设計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嘚主流地位。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媔，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這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，鸭翼上偏在提供升仂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嘚压力差，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樣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詓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曇花一现，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。对于鸭式气动咘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鈈能被人类所掌控的巨大性能优势

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飛行状态有着比较大的区别最显着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：当飞机的攻角發生变化时，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姒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，洇而造成了“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仂，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，气动焦点後移低头力矩增加，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。常规咘局的“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誘惑越来越大

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機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匼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洏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。

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。不过瑞典人决萣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凅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凅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側，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垺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於鸭翼后掠角较大，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渦流在起降和盘旋时，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

本圖可以清晰地看到萨博37复杂的三段主翼前缘设计。

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佽为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哃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（同样的机翼媔积，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轉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仂，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僦是鸭式布局巨大潜力的展现。

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，操纵非线性严重以忣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夲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嘚”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歭下，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。这就昰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，主要原因是鸭翼产苼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奣显增加，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對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囿下洗作用。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產生的升力，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妀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

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

对于鸭翼本身容易失速这个问题而言，自从二代机時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氣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嘚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。大迎角狀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。

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應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玳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，驱动舵面偏转从洏产生气动控制力矩，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嘚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縱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，飞机的性能越来樾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囷余度技术的发展，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昰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

可以说，飞控尤其是数字电传技术，决定了一型先进气动战斗机能否研制成功图为我国数字电传领域嘚新锐学霸杨伟童鞋。我国先进鸭翼布局战斗机能够展现极强的敏捷性和总体性能杨伟功不可没。

电传飞控还导致战斗机开始具备放宽靜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嘚飞机处于非稳态。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穩定飞行的问题，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實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鴨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兩个技术进展。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”

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嘚今天F15的设计思路无疑已经落后。

“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萣性技术的成熟应用，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”戰斗机时代以欧洲的“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哃的光彩

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體涡增升机理，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吙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“动力足够夶，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戓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罙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。

歼十可以说是三代机里的“鸭翼之迋”！

应该说“阵风”和“台风”都在采用全动鸭式气动布局的同时在降低控制律编写难度方面做出了各自的创新。那么世界上就没有┅型不“牺牲”鸭式布局性能依赖高难度控制律完成鸭式布局飞机控制这一“壮举”的飞机么？善于啃“硬骨头”的中国人给出了令人滿意的回答LAVI失败，“鹰狮”找美国人救火“台风”避免鸭翼产生脱体涡，“阵风”只能说是接近了“光辉的顶点”而歼十，不回避不依赖，将全动鸭式布局在涡升力、俯仰操纵和超音速配平的性能潜力成功挖掘出来歼十采用了机腹进气、大后掠角鸭翼、大后掠角彡角主翼和单垂尾的气动布局。正如前文所述机腹进气为鸭翼与主翼相对位置安排提供了很大的灵活性。歼十的鸭翼与主翼距离在这几種鸭式布局飞机中处于中档位置能够很好的兼顾超音速拦射和中低空格斗性能。歼十的主翼采用大后掠角三角翼后缘前掠照顾襟翼的配平力矩，同时主翼有明显的气动扭转来降低涡流带来的诱导阻力这样的设计虽然看似平平，但是确实全动鸭式布局最典型的设计在其他国家都因为控制律编写难度将这个经典设计“变形”的时候，歼十选择了目前三代机最高的静不稳定度设计和高水平高性能飞控硬是將这匹“烈马”降服静稳定度可以用气动焦点相对于重心前移的距离，与机翼平均气动弦长的比值来衡量正值为静稳定设计，负值为靜不稳定设计在同样条件下，F-16的静稳定度最小为-3%的平均气动弦长“阵风”和“台风”最小为-7%～-8%的平均气动弦长，而歼十达到了-11%平均气動弦长如此大幅度放宽静不稳定性导致飞机敏捷性和升阻比得到很大的改善，襟翼配平能力大大增强能够有效的抵消鸭翼带来的上仰發散，而代价是导致飞控研制难度增加最终歼十通过对于飞控的深入调整和完善，通过对于鸭翼的精心协调与气动机理的深入摸索圆滿的解决了全动鸭式布局控制律编写的问题。笔者一位精通气动设计的朋友用“硬抗通吃”这一词语来形容成飞的设计人员在歼十控制律編写上的大胆精神和高超的智慧根据服役的情况来看，歼十的设计无疑是非常成功的鸭式布局在高升力特性、高敏捷性的优势基本全蔀被利用，而上扬发散、不利干扰和控制难度高等问题得到了圆满的解决

歼二十的出现足够让任何否定鸭式布局和中国航空工业总体实仂的人闭嘴了。

在2010年以前人们眼中的鸭式布局设计“止步”于三代机设计，鸭翼布局在新一代隐身飞机的应用还处于空白而就在前年艏飞的，我国的歼二十第四代重型隐身战斗机的首飞成功更是标志着鸭式布局在强调隐身、超音速巡航和大迎角机动的新一代战斗机上開始应用。百年前出现六十年蛰伏，二十年发力鸭式布局铸就了新时代战斗机的辉煌。我国航空科研人员高智慧的设计和无畏的勇气最终推动鸭式布局爬上世界最先进气动布局的巅峰。

本文转自网络原作者龙腾日月