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鸭翼到底有什么用,为何很多飞机没有鸭翼?专家寥寥数语解读清楚 ... ...

2019-2-28 11:39| 发布者: 百家乐c| 查看: 480| 评论: 0


鸭翼到底有什么用,为何很多飞机没有鸭翼?专家寥寥数语解读清楚


众所周知,鸭翼是飞机机身前端的一个重要部件,起到平衡飞机俯仰的作用。中国和世界上很多军迷极不喜欢鸭翼,而且世界上很多飞机也没有设计鸭翼,这到底都是为了什么呢?为拨开迷雾,本文特地邀请了团队的军事航空专家,进行了专业的解读,寥寥数语之间就能让大家一清二楚。


鸭翼到底有什么用,为何很多飞机没有鸭翼?专家寥寥数语解读清楚


目前,欧洲台风战斗机或long-EZ超轻型飞机都设计有鸭翼,它起到2个作用,一是改善飞机的飞行控制,这一作用在战斗机上经常看到。二是提供升力,替代水平尾翼安定面的功能,理论上还可以降低阻力。 具体而言,鸭翼如何降低阻力呢,它通过减小飞机需要产生总升力降低阻力,但是,为此要付出代价,鸭翼会破坏机身平衡,降低失速复原能力。


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大部分飞机使用水平尾翼安定面保持稳定,比如赛斯纳172飞机,机身重心如果在机翼之前,势必会产生下俯,但是,水平尾翼安定面可以看作是迷你机翼,产生向下的压力(机尾下压力),使机头上仰。 传统的垂直尾翼飞机,如果起飞重量907千克,那么发动机提供1020千克升力,尾部就需要113千克的向下的力,才能使飞机保持水平。


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鸭翼本质上是将水平尾翼移向了机头部位,将机翼的升力中心点移到机身重心点后方。为了平稳机头下降的自然趋势,鸭翼产生向上的升力。图为萨博AJS-37“雷”战斗机。


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如果long-EZ超轻型飞机的起飞重量是589千克,鸭翼提供113千克升力,机翼只需要提供476千克升力。赛斯纳172飞机需要提供1133千克的升力,那么1020千克升力来自机翼,尾部就需要113千克的向下的力,比飞机起飞重量多了226千克,才能使飞机保持水平。也就是说,long-EZ超轻型飞机起飞重量是多少,机翼提供的升力就是多少,因此鸭翼布局的空气动力学特征更加高效。


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但是,事情又没这么简单,还要考虑稳定性和失速复原的问题。如果鸭翼就是这么简单实现了高效飞行,那么世界上所有飞机都该采用鸭翼设计了,但是,空气动力学从来就是不是简单的事,在失速控制方面非常复杂。


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以赛斯纳172飞机为例,如果主翼失速发生在尾翼之前,驾驶时就要通过操纵让机头下俯。如果失速尾翼发生在机翼之前,飞机就自然地实现机头下俯。这2种情况都能做到失速复原。但是,如果飞机安装了鸭翼替代水平尾翼安定面,如果先发生主翼失速就非常麻烦,飞机重心将使机翼和尾翼下降,机头仰起。这时飞机就进入到严重失速状态,无法复原。


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那么,如果解决这个问题呢,必须设计更大型的机翼,保证在鸭翼失速之前永远不接近临界迎角。但是,大型机翼增加了飞机全重和阻力,降低了设计效率。


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在稳定性方面,鸭翼也容易造成飞机不稳定。简而言之,如果阵风短暂地增加了赛斯纳172飞机的迎角,飞机就有机头下降的趋势,回到它最初的姿态。在赛斯纳的图例中,增加迎角增加就是机翼的升力,但是实际上降低了尾翼的下压力,原因是它降低的尾翼的迎角。

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但是,鸭翼能够使飞机进一步上仰,迎角的增加导致鸭翼和机翼都产生更大的升力,如果鸭翼的升力增加超过机翼的增幅,机头还会继续上仰。


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为解决这个难题,设计师在鸭翼上采用大翼载荷设计,鸭翼上单位面积上产生的升力大力机翼产生的升力。大翼载荷相比于小翼载荷在迎角增加时产生较小的升力增加。但是,大翼载荷也有缺陷,它会产生更多的诱导阻力,设计师必须使用大纵横比的鸭翼,也就是又长又窄,这样尽管降低了阻力,但是增加了鸭翼的制造难度。


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那么,有了鸭翼是不是就可以取消尾翼了呢?错,你还是需要一个垂直稳定翼,而且要位于重心后方。要么就增加机身长度解决,这样带来重量和阻力增加;要么采用后掠翼并在翼尖加垂直鳍,罗塔在Long-EZ飞机采用了这种设计,但是一样有缺陷(后掠翼降低低速飞行性能,又可以写一个文章了,在此不做研究)。


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因此,我们可以看出,飞机设计包括战斗机设计没有完美。鸭翼在纸面上看挺好,但是它增加了设计的复杂性,罗塔在VeriEze和Long-EZ系列飞机上熟练掌握了这种设计,但是很多飞机的复杂性缺陷抹杀了鸭翼带来的收益。不过,世界上很多先进战斗机都采用鸭翼设计,比如欧洲台风战斗机和歼20,就都是和罗塔一样,熟练掌握鸭翼的是非曲直,能够做到完美地平衡鸭翼的优缺点,保证其良好的空气动力学性能(飞行性能)。


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