鸭式气动布局是什么？

【专家解说】：高低速性能好 　　採用後尾式和無尾式氣動佈局的普通高速飛機，由於種種原因，其低速性能往往不佳。而鴨式佈局則可以滿足戰鬥機對高、低速。性能的要求。因為這種佈局能很好地兼顧高速飛機所需的細長體外形和飛機實現短距起落所需的高配平升力係數。這是因為：一方面，細長鴨式佈局在由亞聲速過渡到超聲速時，其焦點移動而引起的安定度增量比後尾式要小，這對高速機動飛行是有利的。另一方面，在大迎角進場或飛行時，它又能產生比後尾式和無尾式飛機高得多的配平升力。這說明它亦適合低速飛行。 　　配平升力高 　　圖一是靜安定度的後尾式、無尾式和鴨式飛機縱向配平方式的示意圖。飛機在空中做定常水準飛行時，其重力與升力，推力和阻力是相等的，全機力矩也是平衡的。為獲得配平力殲一10A用的鴨式佈局方案雖然在中國早期殲一9概念中曾有過體現，但其中涉及的諸多技術問題是在殲一lO上獲得了最終的完美解決劉應華攝矩，無尾式及後尾式飛機需要付出一定的升力代價。在飛行中，機翼的升力Y及全機零升力矩Mzo對飛機重心要產生一個低頭力矩。為平衡這個力矩，無尾式飛機要上偏升降襟翼，後尾式飛機要上偏轉升降舵，以便產生一個負升力去配平，致使全機升力下降。當然，小迎角飛行時平尾的負荷不大，它付出的升力代價也很小。但是當飛機以大迎角飛行，並採取增升措施時(例如放襟翼)形勢就惡化了。因為增升時會帶來很大的附加低頭力矩。為配平這些附加力矩，平尾後緣必須上偏很大的角度，這將使增升效果顯著降抵。倘若機翼採用高度增升的方法。有時連配平都很困難了，只好在平尾上採取高度增加負升力的措施。國外不乏這方面的例子。美國的F一4飛機由於在後緣襟翼上採取了附面層控制技術，使低頭力矩增加很多，結果尾翼在配平時已接近失速，只好對平尾進行修改，使前緣上翹，將翼型變為反彎度的。而日本的PS一1水上飛機則是在尾翼下表面吹氣以增加負升力。後尾式佈局尚且如此，無尾式飛機配平高升力就更困難了。 　　相比之下，鴨式佈局比後尾式及無尾式佈局優越之處在於：其抬頭俯仰力矩可由飛機重心前的正升力面(鴨翼)提供。這真是一舉兩得：既提供了配平力矩，又增加了升力。那麼為什麼以前人們很少採用鴨式佈局呢?這是因為常規的鴨式飛機有三大缺點： 　　(1)前翼對主翼存在著強烈的下洗，使主翼升力降低。儘管前翼的升力是正的，彌補了部分升力損失，但配平時的總升力不見得比後尾式高很多。 　　(2)鴨式佈局配平問題不好解決。一般情況下。鴨翼的負荷要比尾翼大，往往為尾翼的3～4倍。因為把鴨翼放到前面，全機焦點隨之前移，重心也需向前調整。這樣鴨翼離重心的位置近，力臂短，使它的配平能力受到限制。再加上主翼對前翼有上洗，在大迎角時前翼容易先失速。這對起飛著陸和大迎角機動來說是不利的。直到上世紀60年代末瑞典人研製成功Saab一37飛機後，這些缺點才得到了一定程度的克服。作為M數為2一級的飛機，Saab一37沒有採用複雜的增升措施就使起降距離縮短N400多米，達到了短距起落的要求。這一成就引起了國際上的廣泛注意。Saab一37採用的是近距耦合鴨式佈局，利用前後翼間脫體渦的有利干擾實現了高升力。(3) 由於脫體渦在主翼面上的生成、發展、破裂和漂移對飛機的升力和縱橫向的力矩特性影響很大，使得縱向力矩曲線出現極嚴重的非線性化，並導致了飛機的操穩品質變差。為了解決這一問題，常規鴨式佈局飛機不得不增大飛機的安定度，以求得縱向力矩曲線變得較直。這樣一來，飛機的配平阻力增大，前翼的配平能力減小，導致飛機的機動性和起降性能變差。 　　解決的辦法之一是採用電傳操縱系統，放寬靜穩定性。 　　利用脫體渦獲得高升力 　　人們通過實驗發現：45度以上的大後掠角薄翼在迎角很小時，氣流就從前緣分離，並卷成一脫體旋渦。此脫體渦的渦心壓力很低，由於上下壓力差的作用，使得翼面的升力有所提高。我們知道，三角翼總升力等於位流升力和渦升力之和。 　　位流升力是根據位流理論計算出來的升力。圖二中虛線代表總升力，而點劃線代表位流升力(圓圈為實驗點)，兩條線的差別就是理論渦升力。可見，由於有了渦升力，三角翼的升力線斜率和最大升力係數等均大大提高。如果把大後掠角的鴨翼和主翼近距耦合配置，便會產生有利干擾，而脫體渦的效率會更高，渦升力也更大。當鴨翼置於主翼的前上方時，前翼脫體渦因進入了主翼上表面的低壓區而有利於渦心的穩定，延遲了旋渦的破裂並提高了前翼的失速迎角。 　　此外，前翼脫體渦不但在前翼上誘導出渦升力，而且它在掃過主翼上表面時也給主翼誘導出一個渦升力。前翼渦的存在還有助於控制在主翼上形成的前緣渦，而延遲了主翼的失速。由於主翼一方面受到前翼的下洗(內翼段)，另一方面也受到前翼的上洗(外翼段)，所以使總的下洗量減輕。由於這些有利干擾的存在，近距耦合鴨式飛機在大迎角時升力較高，而失速迎角也較大(可達30度以上，而普通後尾式飛機的失速迎角只有十幾度)。這對於擴大飛機的機動飛行範圍和改善高速飛機的起降性能都具有重要意義。 在前後翼的相互干擾中，除了前翼對主翼的下洗為不利干擾外，其他均為有利干擾，這就使得近距耦合鴨式飛機比相同翼面積的普通鴨式飛機的升力大很多。在起飛狀態下，近距耦合鴨式飛機可比無尾三角翼飛機的升力係數高出一倍! 　　當然，由於下洗的干擾量很大，在小迎角時有利干擾還不足以抵消不利干擾。即便是這樣，在小迎角時，近距耦合鴨式飛機的最大升阻比已相當於同級後尾式飛機了。隨著迎角的增大，有利干擾量逐漸大於不利干擾量。當迎角達到16度左右時，近距耦合鴨式飛機的有利干擾便超過了不利干擾，其全機升力係數已高於單獨前翼與單獨主翼升力係數之和，這是普通後尾式飛機所不能及的。因為對後尾式飛機來說。也存在主翼對尾翼的下洗問題，而且此不利干擾還隨迎角的增大而增大。即使讓尾翼也產生正升力，它的全機升力係數也始終低於兩個單獨翼面的升力係數之和。 　　擦地角大 　　鴨式佈局的飛機還有一個優點：由於主翼在後面，機身尾部短，擦地角(機尾觸地的角度，由主輪和尾噴口之間的連線與地面水平線之間的夾角確定) 可以設計得比較大，這有利於飛機以較高的迎角(14度～18度)起降。而普通後尾式飛機的後機身較長，擦地角往往只有8度、9度。 　　近距耦合鴨式飛機也還存在著缺點：配平困難的矛盾沒有得到根本的解決，這就大大地限制了它的使用範圍和性能的發揮。為了克服此矛盾，國內外的飛機設計部門採取了一系列技術。例如採用展向吹氣或弦向吹氣的方法提高前翼的配平能力；或者採用電傳操縱系統和主動技術放寬飛機的靜安定餘度，把前翼從沉重的負擔中解放出來，並且利用前翼和主翼動翼面的協調動作去實現直接升力和直接側力控制。“陣風”和“颱風”及JAS 39等新一代採用鴨式氣動佈局的戰鬥機均裝有電傳操縱系統，可以實現主動控制，所以它比Saab-37更前進了一步，氣動性能也大幅度提高。 　　新型鴨式飛機已經在上世紀90年代嶄露頭角，而且在氣動上它們還大有潛力可挖。可以預言，隨著二元噴口、複合材料、前掠、動力增升以及主動控制等新技術的應用，鴨式飛機的性能將會有更大的提高。