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全球五代机只有中国用鸭翼,这是为何?
全球五代机只有中国用鸭翼,这是为何?
 

有些人认为歼-20的鸭翼是一个失败设计。

理由也无非是上图提到的那些,什么“发动机性能不足的替代方案”“破坏隐身”“美俄五代机都不用鸭翼,所以鸭翼”不好等等。

全球五代机只有中国用鸭翼,这是为何?
 

▲歼-20是唯一使用鸭翼的现役五代机

鸭翼(Canard)得名于法语中的鸭子,因其安装在主翼前方,与鸭子的脚蹼相似,故有此别称。

早在117年前的1903年,美国莱特兄弟设计的第一架有动力飞机“飞行者1号”(Wright Flyer)就是鸭(前)翼布局。

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▲创造历史的飞行者1号

也就是说,这种布局才是所有飞机气动设计的老祖宗,我们司空见惯的后掠翼、三角翼反而是后生晚辈。

但在随后的发展中,人们没有再沿用首先实现飞行的鸭翼设计,而是广泛改用了平直翼的经典活塞机设计方案,直到二战结束。

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▲美国P-51“野马”是活塞战斗机的巅峰之一

产生这种现象的原因有两个,一是各飞机制造公司为了规避莱特兄的设计专利,二是鸭翼会增加气动的不稳定性,当时的技术手段无法实现稳定控制,安全隐患极大(莱特兄弟后来也不用了)。

但尽管如此,人们对鸭翼的探索并没有完全中断。

上世纪40年代初,美国柯蒂斯-赖特公司(Curtis Wright),为竞标美国陆军航空队提出的R-40C战斗机改进计划,开发了采用鸭翼、后置发动机布局的XP-55“升腾”。

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▲奇形怪状的XP-55

这种设计在当时看起来十分异类,而且性能和操控较差,三架原型机摔了两架,造成1名飞行员和4名平民死亡。

喷气时代到来,XP-55计划也就正式下马了,现存一架孤品展示于密歇根州的卡拉马祖公园。

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▲停放在密歇根州卡拉马祖公园中的XP-55孤品

除了美国,日本也在二战时期探索过鸭翼。

1943年,海军航空技术厂着手试制J7W1——震電(也叫震电、しんでん)战斗机,它也采用了鸭翼+后置发动机的气动布局。

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▲震电长得样子和美国那个XP-55差不多。日本人还声称震电击落过B-29,但始终拿不出实锤

但随着日本战败,这种飞机也没能量产。

值得注意的是,二战期间尝试鸭翼的还有意大利的Ambrosini SS.4、英国的Miles M.39B Libellula“蜻蜓”。

这么多国家都在研究“鸭翼”,足以说明大家都意识到了鸭翼的潜力。

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▲英国皇家空军的鸭翼概念机

那么这种设计的优点在哪里?又为什么会引得如此多的国家纷纷投入人力物力去研究?

概括地讲,鸭翼具有提升操控性、失速攻角、升力系数的作用,需要时也能充当俯仰轴,可谓好处多多。

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▲意大利Ambrosini SS.4

然而,“鸭翼”并不是给飞机插上一对小翅膀这么简单,它需要完美融合空气动力学、飞行控制系统、机体结构设计等方方面面的问题,研制难度大、风险高。

这就使得不少国家即使投入大量人力物力,在受到技术限制后,只能无奈放弃。

因此直到今天,鸭翼也被视为“非主流”,前文提到的四种验证设计在当时的历史背景下更是异类中的异类,奇葩中的奇葩。

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▲鸭翼+后置涡桨的设计并未完全消失,图为采用同类布局的“比奇星际战舰”(客机)

直到超音速时代到来,各国空军对新型气动布局的需求,极大刺激了机型设计的革新与探索,尘封数十年的鸭翼这才有重见天日的机会。

犹豫就会败北,果断全都白给,鹰酱和毛熊,率先开始论证鸭翼+三角翼这种全新组合的可行性。

北美航空拿出的方案是XB-70“女武神”超音速轰炸机,而苏霍伊则用T-4与之对标,二者均以3马赫的巡航速度为主要看点(3马赫巡航的轰炸机,搁今天也是黑科技)。

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▲XB-70“女武神”超音速轰炸机

可惜二者因为技术不成熟、洲际导弹成为核心威慑力量等原因双双下马。

1981年,瑞典萨博-37“雷”式战斗机正式服役,它被公认为最早采用鸭翼的量产型现代战斗机。

然而这种激进而罕见的设计,却在当时引起了广泛的争议。

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▲萨博-37“雷”式战斗机

但事实证明,“雷”式的鸭式布局是一种非常成功的设计,它有效平衡了短距起降、超音速、亚音速和低速段飞行时不同气动需求间的矛盾,同时提高了升力与操控性,用实际效果证明了鸭翼的价值。

此后,鸭翼开始逐渐被航空界所接受,部分北约成员国和苏联都点开了鸭翼的科技树,时至今日仍有台风、阵风、Su-33、Su-34等耳熟能详战机装有鸭翼。

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▲法国“阵风”战斗机

在这股大潮中,我种花家并没有当看客,也在很早就开始了相关研究和应用尝试。

1964年上马立项的歼-9截击机,就首次采用了我们从未尝试过的鸭式布局,可见当时中国的飞机制造者,已经注意到鸭翼的潜在优势。

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▲歼-9截击机的气动模型

尽管歼-9因为材料工艺等问题没有修成正果,但我们获取了大量气动数据,为中国鸭式布局的理论研究打下了坚实基础,日后歼-10、歼-20的成功研制亦从中受惠。

鸭翼从被排斥到被接受,电传操纵系统逐渐成熟也是前提之一,但自身设计的变化同样重要,尤其是近距耦合概念的出现,使得鸭翼具备了“金坷垃”般的功效——涡流增升(不是骨质增生,谢谢)。

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工程师们发现,当大后掠角的鸭翼位于主翼前上方不远处时,鸭翼产生的涡流会向下附着到主翼上,与主翼自身的涡流互相作用,进而形成包覆主翼的低压区,产生减少阻力、增加升力的效果,这便是“耦合作用”或“耦合现象。”

耦合作用在鸭翼+三角翼的机体布局中尤为明显,又因这种布局的鸭翼和主翼距离很近,因此被称为“近距耦合”或“紧密耦合”。(实际上能够产生耦合作用的都可以被归类为近距耦合)

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美苏早期实验的XB-70与T-4时,都没有产生这种效果,因为它们的鸭翼是被设计用来抵消高速飞行时,主翼升力过大产生的重心后移,防止俯仰轴失控和一定的配平辅助操作。

由于鸭翼和主翼之间的距离非常远(跟轰炸机巨大的身形也有关系),所产生的涡流也不足以与主翼形成耦合,所以当时的工程师并未意识到鸭翼的巨大潜力。

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▲前苏联T-4轰炸机

两个超级大国领先起跑,却是瑞典人对近距耦合的成功应用,给了全世界一个标杆式的范例,让大家看到了鸭翼还能这么玩。

当然会有不少人有疑问了,既然鸭翼有那么多的好处,为什么美国不喜欢鸭翼?

美国人当然不傻,他们可是一直在投入大量精力去研究鸭翼。

除了上文提到的飞行者1号、XP-55、XB-70,美国还在冷战时期测式过前掠翼布局的X-29,和采用矢量推力的F-15STOL/MTD。

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▲同时测试近距耦合与矢量推力的F-15STOL/MTD

至于搞到最后得出“鸭翼最好装在敌人飞机上”这个结论,主要有两方面的原因。

首先,鸭翼的存在,很大程度上是为了弥补发动机推力不足。

比如中国的歼-10、欧洲的台风、阵风都采用鸭翼+三角翼,确实有发动机性能较弱的因素。

所以要在气动上下功夫来提高飞行性能,拉平甚至超越美国同类战机(F-16)的机动性。

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▲台风战斗机硕大的鸭翼

当然这么做是有代价的,比如复杂的气动模型与操纵系统、鸭翼和腹鳍的额外重量等,只不过在没有大推力先进航发的情况下,这种代价可以被接受,或者说别无选择。

但美国不一样啊,人家拥有最为发达成熟的航空发动机工业,发动机推力绰绰有余,自然不需要鸭翼和它产生的负面效果。

这就叫“一力降十会”。

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▲X-29验证机,前掠翼+鸭翼的布局比俄罗斯Su-47早很多年

另一方面,苏联解体让美国的国防压力骤降,且空军的核心战斗机群已经由F-15和F-16组成并定型。

在本身就占据性能和数量优势(性能优势是相对的,但数量优势是绝对的)的情况下不宜,也不需要增添变数太大的新机种。

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▲F-15表演大象漫步,这种阵仗也就美国玩得起

最终,美国对鸭翼的研究止步于90年代,后续研究转入超音速飞行特征等领域,主要目的是获取资料、完善理论,军方已经没什么兴趣了。

而在所有五代机当中,只有歼-20使用鸭翼的主要原因的确如上文所述:

我们的发动机还不够好。

美国有F-119、F-135这样的顶级大推,俄罗斯有AL-41这样次一级但也很厉害的发动机,他们不用担心推重比不够,的确没必要用鸭翼。

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▲F-35使用的F-135发动机,其性能要比国产WS-10系列领先30年左右

歼-20仍需使用技术标准参考AL-31的WS-10。

短时间内无法解决航发问题,是歼-20在研发阶段就已经预见到的,因此气动布局必然要基于现有条件来做指导参考,鸭翼也就成为达成超机动性目标的必要途径。

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换句话说就是,“中国鸭王”的技术日趋精熟,是“心脏病”倒逼出来的。

我们甚至可以认为,“鸭翼最好装在敌人飞机上”这句话的潜在含义是:“希望敌人永远造不出先进航发,只能靠鸭翼弥补性能。”

说到这大家可能会泄气,原来歼-20的鸭翼真是无选之选啊?

非也!发动机的确有缺憾,但成飞通过巧妙布置,几乎将鸭翼的性能挖掘到极限,使歼-20的机动性同样出色。

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设计团队干了一件特别逆天的事,那就是在歼-20的气动系统中,整体设计了四个涡流发生器,分别是菱形的雷达整流罩、鸭翼、大边条和主翼前缘,大幅提升涡流增升效果的同时,发挥出了鸭翼长力臂的操控性优势。

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▲感受一下歼20这大迎角殷麦曼回旋的酸爽

至于鸭翼会破坏隐身这个问题,成飞的解决方案,是让鸭翼和主翼处在同一水平面,但鸭翼上翘、主翼下翻,既不耽误涡流耦合还能降低反射率,对RCS造成的干扰可以忽略不计了。

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▲20姬的鸭翼和主翼虽然处在同一平面,但角度不一样

就这样,歼-20成为了该领域独步天下的“鸭王”。

除了成飞,目前世界上还没有第二家设计制造单位,能同时做到既满足隐身需要、又保留提高升力和操控性的优势、还解决了不稳定难控制的特征!

作为第一、也是唯一一种使用鸭式布局的五代机,歼-20的气动模型之复杂稀世罕见,中国为弥补航发短板所下的苦心可见一斑。

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▲鸭翼与大边条特写

从歼-9立项到歼-20成军的半个世纪中,中国战机的发展之路走得很苦涩,深挖已极的鸭翼背后始终是发动机这个痛点。

也许有一天我们不再需要鸭翼,但今天为之付出的努力却不能被忘记,鸭式布局的广泛应用不仅解决了当前的实际需要,也充实了理论基础,是中国航空发展史上匠心独运的一笔浓墨。

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