F-16总设计师哈里.J.希拉克尔说过气动:“鸭翼最好的位置在敌人的飞机上。”诚然气动,在飞控技术不甚发达尤其是电传飞控尚未成熟的上世纪70年代之前,鸭翼由于受配平问题的困扰一直没能装备在高性能的制空战斗机上。
通俗说,鸭式布局就是把常规飞机的水平尾翼放到主翼之前。鸭式气动布局的兴起,同革命性的电传操纵系统在80年代技术成熟关系很大。与传统的机械操纵系统相比,电传操纵系统响应速度更快,非常适合在急剧变化的气流中第一时间对舵面运动作出调整,这对放宽静不稳定度的鸭式飞机来说无疑是福音。
鸭翼有助于产生脱体涡,脱体涡的下洗对主翼产生有利干扰,利于增升。虽然边条也可以增升,但那是在大迎角条件下,一般迎角低于16°就不会产生增升效果了。况且鸭翼产生的为正升力,有助于主翼降低翼载;而常规布局通过尾翼产生负升力来配平,使主翼翼载加大。至于为什么要用电传飞控,对于三代机来说,通常采用静不安定式设计。例如F-16一秒的翼面状态要调整60次,这对于传统的机械操控简直是噩梦。而鸭式布局的战机可动翼面数比F-16这种边条布局更多,因此对飞控的要求也就更高。
此时,有些读者或许有疑问:如果鸭翼那么好为什么美国四代机没有用?F-22的设计要求起源于80年代初,以对苏-27和米格-29形成代差和隐身压制为主。1990年YF-22首飞,一年后曾经的红色帝国已经灰飞烟灭。F-22本身为图短平快,并未采用过多风险较高的先进技术,当然也就没有采用鸭式布局。而歼20的设计时间比F-22要晚十多年,而中国在歼10上已成功采用鸭式布局,积累了相当多的设计和使用经验,因此歼20采用了气动效率比F-22的常规布局好得多的鸭式布局。
至于某些人所说的鸭翼破坏隐身,笔者只想说影响RCS的因素有很多。考虑到近年来中国在航空复合材料上的进步,歼20的鸭翼完全可以采用电导率较低的复合材料。况且在西工大出版的《鸭翼电磁散射特性与RCS缩减方法研究》一文中曾指出“鸭翼在不同的偏转角度下,RCS都不同,而翼前掠/后掠之间,RCS也不稳定。”如此说来鸭翼还有破坏隐身之虞?
美国波音目前的六代机方案追求的是全向隐身设计,但其同样采用鸭式布局。因此说鸭翼破坏隐身的可以闭嘴了。
从上面的图片可以明显看出歼20的气动特点,那就是采用了鸭翼-边条-主翼这样的气动布局。由于歼20采用远距耦合的鸭翼设计,因此歼20鸭翼主要负责操纵与配平,而鸭翼后的边条负责产生脱体涡增升。与此同时对比一下F-22的气动设计:边条可以说不存在(虽然倾斜的进气道边缘可看作“边条”,但微不足道),巨大的垂尾会对侧向RCS产生很大影响,而歼20采用了全动垂尾,气动效率更高。由于设计年代较早,F-22仍采用双斜切式进气道(即加莱特进气道)。
加莱特进气道固然有优化超音速能力的优点,但缺点就是重量过大,对于“克克计较”的飞机设计来说不能不是一个败笔。而借着中国计算流体力学进步的东风,歼20采用了重量更轻,对于跨音速优化能力更强的DSI进气道。因此,单从飞机总体气动效率来说,歼20比F-22超出一大截。等到未来歼20换装涡扇15后,更是没有理由不超过F-22。
作者:长空牧星