Question

分析鸭式布局和常规布局飞机在平衡状态下主翼和尾翼的受力情况

Answer 1

问：分析鸭式布局和常规布局飞机在平衡状态下主翼和尾翼的受力情况

答：按照战斗机的翼面气动布局分类来讲，大致分为以下几类：常规布局、鸭翼布局、三翼面布局和飞翼布局。

答：常规布局来讲是从莱特兄弟发明飞机一来一直沿用至今的一种布局，美国的战斗机就很喜欢这种布局，新一代的战斗机F-22也是采用的常规布局。简单来讲常规布局就是主翼+水平尾翼，是一种很经典的气动布局设置方式。常规式布局没有什么优缺点，它在各个方面都十分常规，因为这种布局技术使用最早，它的理论和技术都已经达到成熟的状态了，可以使战斗机的性能达到一个均衡的状态。

答：鸭翼布局又可称为前翼布局，在前苏联时期有人发现如果把飞机尾部的水平尾翼移到主翼之前，可以用比较小的翼面达到同样的飞行效果，经过后来的长期发展才有了现在比较成熟的鸭翼布局，名字源自于法语中的鸭子，因为把水平尾翼配置在前方，像是鸭子蹼一样，所以称为鸭翼。这种鸭翼布局简单来讲，在正常飞行的情况下并不比常规布局优越多少，但是在做垂直上仰、小半径的盘旋飞行时，可以产生两股涡流，从而产生更大的升力，在大迎角的状态上，鸭翼还可以产生低头力矩，可以控制机身不会过度抬头，而且采用了更小的机翼，减少了雷达波的反射面，增强了隐身能力，我国的歼-10和歼-20都采用这种鸭翼布局。

答：三翼面布局总的来说就是结合了常规式布局和鸭翼布局的各个优点的结合体，采用的是前翼+主翼+水平尾翼，这种三翼面布局方式综合了前两种布局的优点，不仅改善了大迎角特性，提高了最大升力，再加上机翼多，操纵性能大大提高，水平机动性能也得以提升。而且比起鸭翼布局改善了起降功能，更适合作为舰载机，配置在航空母舰上。缺点就是翼面多，雷达波反射面也增加了，隐身能力不强，阻力也比其他两种布局大。采用三翼面的战斗机并不多，我国的歼-15采用的这种布局

答：飞翼布局最简单的来说就是取消了所有的水平尾翼，垂直尾翼全无尾布局，就像一片树叶，在空中飞行，采用了这种飞翼布局的目前服役机型里只有美国的B-2隐身轰炸机，这种飞翼布局完全是为了隐身性能研发出来的，它的雷达波反射面积只有同类飞机1/100，（关于B-2隐身轰炸机的隐身能力上一次有写一个专题，感兴趣的朋友可以去看一下）。但是这种飞翼布局操纵性能低，机动性能也差，不适合用于战斗机，所以目前只有执行战略轰炸的B-2隐形轰炸机采用这种布局。

答：在主翼(机翼)前配置有小翼面的飞机气动布局称为鸭式布局，前面的小翼称为前翼或鸭翼。实际上，鸭式飞机并不是新的布局形式，世界上第一架飞机，即莱特兄弟1903年制造的“飞行者”1号采用的就是鸭式布局。那么，为何一些飞机要采用这种布局呢？这是因为，鸭式布局主要有以下优点：第一，正常气动布局的飞机在大迎角时水平尾翼提供的是负升力(方向向下，图一上)，这就减小了飞机的总升力，不利于起飞和着陆；而鸭式布局的飞机其前翼提供的是正升力(方向向上，图一下)，从而使飞机的总升力增大，有利于缩短起飞和着陆距离，故也有人把鸭式飞机称为“抬”式飞机，即前翼与主翼共同承载飞机的重力。

答：第二，鸭翼不受主翼的干扰，操纵效率高。第三，鸭式飞机的配平阻力小，因而提高了飞机的续航能力。但鸭式布局也存在一些严重缺陷：如鸭翼处于主翼的上洗区内，局部迎角较大，气流出现分离早，往往比主翼先失速，大迎角时甚至出现“低头”现象；另外，由于主翼位于鸭翼之后，受其干扰较大，使升力减小，甚至超过了鸭翼所提供的那部分升力；再者，由于垂尾装在主翼上，离重心近，稳定力矩小，而机头较长，不稳定力矩较大，因此较难获得必要的方向稳定性。

答：综上所述，鸭式布局的飞机尽管有一定的长处，但也存在不少问题，限制了其主要优点的发挥，故在很长一段时间内，鸭式布局飞机的使用并不广。为此，航空设计人员作了一系列工作，近距耦合鸭式布局(也称短颈鸭式布局)就是这方面的研究成果。

答：近距耦合鸭式布局是指鸭翼与主翼距离很短，使这两者产生有利耦合作用的一种鸭式布局。如70年代瑞典自行研制的Saab-37“雷”式战斗机，即是这种布局的典型代表。近距耦合鸭式布局，鸭翼通常采用大后掠角、尖前缘，与主翼间的垂直距离和水平距离都很小。鸭翼上的脱体涡流经主翼时所产生的附加涡升力弥补了它给主翼带来的升力损失；前翼也因受到主翼上洗气流的影响而增加了升力。这样，飞机的总升力加大，具备了短距起降的功能。如Saab-37能在长度约500米的公路上起降，很大程度上得益于它所采用的近距耦合鸭式布局。在Seab-37之后，瑞典的军用机普遍采用了鸭式布局。

答：采用了合理的鸭式布局后，其前翼与主翼的不利干扰变为了有利的因素，不仅增大了总升力，还改善了飞机的起降性能和失速性能。近距耦合鸭式布局的成功，使世界上很多第二代、第三代甚至第四代战斗机都采用了这种气动布局。如80年代末以色列研制的“幼狮”，90年代末法国研制的“阵风”(题图)等。特别是进入90年代后，俄罗斯苏霍伊家族的苏-33舰载战斗机(图三)、苏-34歼击轰炸机、苏-35三翼面歼击机、苏-37超机动歼击机、Su-47前掠翼隐身歼击机等采用鸭式布局的新机相继问世，引起世人对这种气动布局的关注。

答：常规：飞机设计师们通常将飞机的水平尾翼和垂直尾翼都放在机翼后面的飞机尾部。这种布局一直沿用到现在，也是现代飞机最经常采用的气动布局，因此称之为“常规布局”。常规优点：技术成熟，这是航空发展史上最早广泛使用的布局，理论研究已经非常完善，生产技术也成熟而又稳定；各项性能比较均衡。相对鸭翼来讲雷达反射面积较小；重量轻些，隐身性能加强。

答：常规缺点：常规布局的缺点一句话就可以概括。常规布局很全能，但又全都不能。

答：在同等条件下鸭式布局的飞机比传统布局的飞机具有更好的机动性。采用鸭式布局的飞机在正常飞行状态下并没有多少优越性，但是当飞机需做大强度的机动如上仰、小半径盘旋等动作时，鸭式布局的飞机的前翼和主翼上都会产生强大的涡流，两股涡流之间的相互偶合和增强，产生比常规布局更强的升力；鸭式飞机比平尾和无尾布局的飞机更容易实现直接力控制，这对于提高战斗机的对空和对地的作战能力有很大好处，鸭翼差动配以方向舵操纵可实现直接侧力控制，鸭翼加机翼后缘襟翼操纵可实现直接升力控制和阻力调节；

答：鸭式飞机的低空驾驭性较好，鸭式飞机一般采用大后掠小展弦比机翼，它的升力线斜率较低，鸭翼位置靠近驾驶员，有利于突风缓和系统的应用；鸭式飞机因有前翼而不易失速，有利于简化飞机驾驶和保证飞行安全。鸭翼缺点：雷达反射率较大，不利于隐身；一旦鸭翼受损,缺少鸭翼提供的升力,轻者机动性巨降,重者直接失速坠毁；鸭式飞机起飞着陆性能不好：鸭式布局气动设计上很复杂，所以鸭式布局对于飞控软件设计，对于电传操控，对于航电等都有极高的要求；鸭翼在大迎角时诱导阻力较大，其失速也早于机翼；鸭式布局的飞机一旦定型，在气动上基本上就很难改进。