“鸭翼的不同位置决定了设计思想的异同,事实上,如果忽略燃油消耗、弹药投放等因素,重心是基本固定的,但升力中心随速度、飞行姿态等移动,需要动用平尾(常规布局)或者鸭翼(鸭式布局)来恢复平衡,这就是配平作用。有意识的增减配平作用,自然就导致飞机受控地俯仰,这就是俯仰控制作用了。鸭翼虽然这两个作用都可以做到,但不同位置的鸭翼对两者有所侧重。鸭翼靠前称为远距耦合,由于力臂长,用较小的鸭翼就可以实现配平和俯仰控制作用,这样鸭翼造成的阻力和重量较小。适合高速飞行;坏处是远离机翼,难以形成涡升力。鸭翼靠后布置的话,自然就使近距耦合。近距耦合的鸭翼常常和机翼有所重叠,鸭翼后缘在机翼前缘的头顶上。近距耦合的鸭翼产生涡升力的作用明显得多,有利于提高机动性,但力臂短,配平和俯仰控制作用降低,需要增加鸭翼面积,导致阻力和重量增加。鸭翼和机翼在上下有所重合,两者之间的气动干扰增加阻力。(方方)”
这句话简单地说,布局的矛盾仅仅在鸭翼的设置方面就困扰着设计者,美国在1980年对鸭式布局的研究比欧洲还深入,升力体边条翼鸭式布局很早就出现了,1970年代NASA有个高机动技术验证机(HIMAT)的17A方案就是采用此布局,但限于当时的气动和控制水平宣告失败。1997年5月NASA和波音联合研制的X36鸭式布局验证机首飞,该机采用升力体鸭式布局,隐身技术及其与飞行敏捷性的配合是其技术验证重点之一;但可能在1980年代美国人认为:不管是远距耦合还是远距耦合,对于下一代战斗机都是不利的,这真是鸭式的悲哀。“鸭式布局的优点在敌人身上的。”这句话被牵强附会成鸭式的不隐身。但是中航早在1990年代就对鸭式的隐身进行大量的研究,美国人JSF鸭式布局和瑞典JAS39隐身布局证明:鸭式布局与常规布局隐身效果并没有什么不同。
1990年代中航鸭式隐身研究可以看做歼20的思路
引用砖头大佬的原话“鸭式的隐身设计原则和常规布局的没有太大区别,一般来说不管是常规布局还是鸭式布局,他们的可动翼面都是按照巡航状态来处理隐身状态的,机动的时候基本不考虑或者只是做一定手段控制,但不限制指标。鸭式布局和常规布局设计的差别主要在于前向因为前翼的存在比常规布局多一个散射区,但集中辐射的原则还是不变的,前翼的前后缘平行,前翼本身可以采用效率比较高的结构性隐身,辐射的主要难点在于翼根部的机身部分,这和常规布局的前缘襟翼根部的难点一样,处理方式也基本一样,这方面正常布局和鸭式布局的rcs差别要到0。001以后才会体现出明显的区别,前翼的存在较为复杂的是因为它们的尺寸比较小,对于一些中长波雷达外型隐身效果不佳,基本需要采用特定波段的窄带吸收和专用涂层的配合才有比较好的效果,同样的问题在常规布局上也有,他们在一些很少的特定角度上会因为机翼的屏蔽而占据优势。”综合而言,鸭式布局因为机翼面积大,机翼根弦长,占位多,隐身效果更好,垂尾机翼前翼分布合理,干涉少,综合周向隐身比常规布局略有优势,但因为前翼的存在,前向隐身需要花费较大的精力和更复杂的处理方案,总体上来说鸭式布局和常规布局并没有什么本质上的区别,隐身和气动综合的难度差不多。”
瑞典Jas39战斗机隐身方案
美国设计师的本意是:鸭式布局要求飞控复杂,内部格舱难以布置,最重要一点,难以满足F22对于各种音速空域都达到对敌人优势的需要,既然有变态发动机和优良的材料和成熟先进的飞控,那么何苦自找麻烦?F22为了突出超音速,利用大后掠的蝶型翼和变态的F119发动机达到机动与隐身完美的平衡是自然的,在1990年代,美国深入研究后认为:这种平稳的设计依然可以压倒世界20-30年。
不管是近距耦合还是远距耦合,对于下一代战斗机都是不利的,这一点原因何在呢?
三F22的强悍
阵风战斗机近距偶合,(鸭翼与主翼接近)根本回避配平和操纵性的,两只前鸭翼很好地提供了涡升力,提高机动能力。但是配平能力很差,那么亚音速性能强悍而超音速性能很糟,但是注意边条上的鸭翼,法国人的处理极其完美。
众所周知,采用近距偶合为阵风战斗机和鹰狮战斗机,它们的设计是根本回避配平和操纵性的,两只前鸭翼很好地提供了涡升力,提高机动能力。但是配平能力很差,而F22的设计是良好的亚音速性能外,还要更超级的超音速性能!它要求能够在超巡上提前占位,即不开加力能够达到1。5马赫巡航中的超音速机动!
在超音速机动中,超音速滚转机动对于无论是F22,T50,歼20都难以实施的,对于占位和逃避来说,超音速滚转机动具有完美的特性,但是五代机对于超音速滚转机动是难以打开内武器舱,将导弹“连弹带甩”发射出去的。如果要在超巡中抢先开火,那么超音速盘旋性能是最重要的。这正是F22的最大优势!
很多人都宣称超级巡航早已有之,如俄国称米格25如何,其实只是大推力发动机加推后变为不加短暂超音速飞行而已,而英国称其早期闪电机能够在1。1马赫巡航,而某些国人称歼12能够以0。94马赫不开加力巡航,可以称亚超巡!
但是这些飞机都无一例外的都是假超巡,更是没有能力进行超音速机动,F22可以伴随1。5马赫巡航中的高G超音速机动是无与伦比的,而上述飞机中最着名的米格25,由于配平落后,在超音速飞行中极其笨拙,被美国人称为“逃跑一流,攻击三流!”
还是引述方方大佬的话吧:“超音速机动性能是 F-22 的设计重点之一,也是该机与第三代战斗机的“代差”标志之一。除了前述超巡、超音速加速/爬升性能外,超音速状态下的盘旋能力也有明显提高。有资料称,该机在 M1。7 时稳定盘旋过载可达 6。5G。考虑到 F-15 在同等条件下盘旋能力远逊于此,而苏-27 在 M0。9、中空才达到这个水平,不能不说这是一个相当惊人的进步。
能够达到如此之大的超音速盘旋过载,发动机是一个重要原因,而同样重要的还有飞机的超音速升阻比和配平能力。
关于升阻比,不难理解。要拉出足够的过载,机翼就必须产生相应的升力,伴随而来的就是诱导阻力的急剧增大(诱阻系数与机翼迎角平方成正比,与机翼展弦比成反比)。如果诱阻系数太大,诱阻增长极快,那么很快就会抵消发动机的剩余推力,飞机虽仍可能拉出较大过载,但发动机推力已不足以维持稳定飞行,当年的幻影 III 瞬时盘旋性能好而稳定盘旋性能差,正是为此。以现代航空技术水平而言,要设计出具有高升阻比的机翼或者具有良好超音速性能的机翼均非特别困难,但要将两者合而为一却非一日之功。这也是 F-22 足以自傲的一点。
而配平能力则往往容易被人忽略。机翼的高升力是拉出大过载的基础,但升力越大,产生的俯仰力矩也越大。如果飞机自身不能提供足够的俯仰配平力矩,那么要么进入上仰发散状态而失控,要么被机翼升力产生的低头力矩压回去,无法拉到需要的迎角。特别是在超音速条件下,飞机焦点大幅度后移,机翼升力产生的低头力矩相当大,进行超音速机动需要更强的配平能力。以超音速性能着称的米格-25,就是由于配平原因而无法进行较大过载的超音速机动——该机超音速平飞时,平尾偏转就已接近极限,能用于超音速机动的余量相当小,所以虽然机体可以承受更大的载荷,但 M2 时的最大盘旋过载仅有 3G。“
也就是说,F22的可怕不仅仅在于它的隐身,而是近乎无解的超级巡航能力和高G超音速机动,在美国的演习中,F22即使携带角反射器不再隐身,F15,F16三代机也很难攻击它,F22可以利用超级巡航能力和超级音速机动提前占位发射导弹,使导弹提升更高的攻击速度!这意味着更先一步的攻击能力,即使攻击失败,F22可以立刻脱离,重新占位攻击,而三代机则根本无法跟上F22的节奏。
在演习中,美国飞行员这样说:“我们在对抗F22的过程中,只要F22进入超级巡航阶段,对抗就基本结束了,我们就是将加力开到最大也无法追上的,我们追赶几下,一句‘宾果’(没有油了,基本战斗机都是加力才能进入超音速,是极其耗油的)就告演习结束,带我们到加油机身边,而F22还有很多燃油。如果F22不是速度王者,那我反而不是它的支持者。”
“这家伙是为速度而生的。”
一句话,配平,升阻比决定超巡和超音速机动,涡升力决定亚音速机动和升力,但是在鸭式飞机上,它们是严重矛盾的!而4代战斗机,它恰恰要求这两者都要拔尖!
“鸭式布局的优点在敌人身上的。”
"要解决配平问题,一是大幅放宽静稳定度,将飞机焦点前移。这样超音速飞行时飞机焦点虽然仍会后移,但距离重心近,产生的低头力矩相对较小。不过,这样一来飞机在亚音速大迎角机动时同样会面临配平问题——这次是配平机翼产生的抬头力矩。被媒体过分渲染的近耦鸭式布局,由于鸭翼距离重心较近,配平能力不足,F-16 的总师哈瑞·希尔莱克就曾说过:“鸭翼最好的位置是在别人的飞机上。”