異想天開:二維綜合尾翼

来源:百度文库 编辑:超级军网 时间:2024/05/01 19:53:30
超大是一個寶庫,大神輩出,一直都只能仰望和默默爬文。本人只是業餘軍迷,突然異想天開,想到一個二維綜合尾翼,感覺好像可行,奈何沒有專業知識,所以不肯定。希望現在寫出來,能讓大神們能指點一下。

二維綜合尾翼

每片尾翼有兩個致動機構,一個負責正常上下打,另一個控制上下反角(就是從垂尾至平尾之間的無段變化,甚至可以像F4/掠食者的平尾般下反)。尾翼在二維範圍內活動,可以承擔垂尾和平尾雙重功能。

在起飛狀態下,反角為0,完全作為平尾提供抬頭力矩,必須的話也可以上反一點,提供部份航向控制力矩並避免擦地。同樣,降落的時候一樣可以完全作為平尾,或者輕微上反,避免擦地,以維持降落性能。

平飛狀態下,尾翼可以完全水平,以盡量減低雷達反射面。如果尾翼能夠嵌入主翼或者與主翼過渡成飛行翼狀態,對隱形來說則更完美。(避免較低頻雷達波在比長波1/8小的翼面或突起結構發生共振,從而破壞隱形。也就是盡量維持像B2般的大型飛行翼結構。這個論點我在外國網站看過,不知正確與否。)

格鬥狀態下,假設尾翼上反45度成V型,與同面積的垂尾加上平尾相比,在兩個航向分別能提供大約71%的控制力(sin 45或cos 45),但總面積和誘導阻力只有一半。適當地加大面積即能提供相等控制力。與此同時,作為水平尾翼差動所帶來的滾轉作用則完全不受影響。

在大攻角情況下,尾翼可以下反V型,這樣可以避免氣流被主翼遮擋,加強對飛機姿勢的控制。而在格鬥狀態下,下反尾翼對雷達隱形的負面影響可以忽略不計。

事實上,尾翼可二維自由活動,作用肯定不止於兩片相對角度固定的尾翼。當然,這對飛控系統也有非常高的要求,畢竟好像沒有飛機用過可以二維自由活動的尾翼,這是一個未知的領域。

視乎尾翼的設計,如果尾翼上下反的時候能順道遮擋噴口,應該能減低側面的紅外訊號,增加格鬥的生存性。(其實我相信J20的腹鰭可能也有類似的功能,不知道大家意見怎樣呢?)

同樣使用兩個動作筒,重量應該不會比傳統垂尾加平尾多。反而總面積很可能少於相同作用的垂尾加平尾,重量就能減輕。

最後,如果加上一個前後方向移動的動作筒,甚至可以改變飛機的升力重心,這樣就可以兼顧亞音速與超音速的配平需要。而這個前後移動的動作筒基本上不怎麼受力(絕對不像可變翼,感覺甚至比一般客機的襟翼還要小得多),增加的重量相信有限。如果這個動作筒的作用距離夠長,甚至可以實現我上面所說,平飛時把尾翼收入主翼的動作,那對隱形就大有幫助。

寫了短短一篇,希望能夠拋磚引玉,引發討論從中學習。超大是一個寶庫,大神輩出,一直都只能仰望和默默爬文。本人只是業餘軍迷,突然異想天開,想到一個二維綜合尾翼,感覺好像可行,奈何沒有專業知識,所以不肯定。希望現在寫出來,能讓大神們能指點一下。

二維綜合尾翼

每片尾翼有兩個致動機構,一個負責正常上下打,另一個控制上下反角(就是從垂尾至平尾之間的無段變化,甚至可以像F4/掠食者的平尾般下反)。尾翼在二維範圍內活動,可以承擔垂尾和平尾雙重功能。

在起飛狀態下,反角為0,完全作為平尾提供抬頭力矩,必須的話也可以上反一點,提供部份航向控制力矩並避免擦地。同樣,降落的時候一樣可以完全作為平尾,或者輕微上反,避免擦地,以維持降落性能。

平飛狀態下,尾翼可以完全水平,以盡量減低雷達反射面。如果尾翼能夠嵌入主翼或者與主翼過渡成飛行翼狀態,對隱形來說則更完美。(避免較低頻雷達波在比長波1/8小的翼面或突起結構發生共振,從而破壞隱形。也就是盡量維持像B2般的大型飛行翼結構。這個論點我在外國網站看過,不知正確與否。)

格鬥狀態下,假設尾翼上反45度成V型,與同面積的垂尾加上平尾相比,在兩個航向分別能提供大約71%的控制力(sin 45或cos 45),但總面積和誘導阻力只有一半。適當地加大面積即能提供相等控制力。與此同時,作為水平尾翼差動所帶來的滾轉作用則完全不受影響。

在大攻角情況下,尾翼可以下反V型,這樣可以避免氣流被主翼遮擋,加強對飛機姿勢的控制。而在格鬥狀態下,下反尾翼對雷達隱形的負面影響可以忽略不計。

事實上,尾翼可二維自由活動,作用肯定不止於兩片相對角度固定的尾翼。當然,這對飛控系統也有非常高的要求,畢竟好像沒有飛機用過可以二維自由活動的尾翼,這是一個未知的領域。

視乎尾翼的設計,如果尾翼上下反的時候能順道遮擋噴口,應該能減低側面的紅外訊號,增加格鬥的生存性。(其實我相信J20的腹鰭可能也有類似的功能,不知道大家意見怎樣呢?)

同樣使用兩個動作筒,重量應該不會比傳統垂尾加平尾多。反而總面積很可能少於相同作用的垂尾加平尾,重量就能減輕。

最後,如果加上一個前後方向移動的動作筒,甚至可以改變飛機的升力重心,這樣就可以兼顧亞音速與超音速的配平需要。而這個前後移動的動作筒基本上不怎麼受力(絕對不像可變翼,感覺甚至比一般客機的襟翼還要小得多),增加的重量相信有限。如果這個動作筒的作用距離夠長,甚至可以實現我上面所說,平飛時把尾翼收入主翼的動作,那對隱形就大有幫助。

寫了短短一篇,希望能夠拋磚引玉,引發討論從中學習。
剛才那個前後移動的動作筒可能想得太簡單了,尾翼上下打的時候還是要受力的,情況可能和襟翼差不多。
这个,对于飞控的要求很高很高很高,而且,同事控制尾翼在三围空间内绕两根轴转动工程上如何实现?
2014-11-12 07:56 上传





像這樣,盡量把控制上下反角的機構融進尾撐,這個機構其實就像把一般垂尾的鉸鍊平放一樣。然後加上黑絲的全動尾翼就可以了



像這樣,盡量把控制上下反角的機構融進尾撐,這個機構其實就像把一般垂尾的鉸鍊平放一樣。然後加上黑絲的全動尾翼就可以了

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2014-11-12 08:16 上传

双柱式四柱式這個太專業了,還是第一次聽呢。。。{:soso_e101:} 不好意思,我不是航空專業的。。。
XB70的翼尖,有点像
这个我也曾经设想过,JSF选型时有一款可能用了这个思路,就是那个大V尾的,那个V尾角度是不足以维持偏航操作的,单发又没办法用推力差。
對!在XB70的翼尖上,加上黑絲的全動尾翼,然後放到噴口旁
對!在XB70的翼尖上,加上黑絲的全動尾翼,然後放到噴口旁
这种尾翼是不需要考虑下反的,参看YF23的V尾,在任何迎角下主翼对V尾的遮挡都非常有限,所以YF23曾经号称全迎角可控,尽管试飞时只飞过15度最大迎角。


当然下反对偏航时的滚转协调控制会更有利。但同样的下反时会处于主翼下洗气流中,效率又是问题了。

zgykk 发表于 2014-11-12 08:44
这种尾翼是不需要考虑下反的,参看YF23的V尾,在任何迎角下主翼对V尾的遮挡都非常有限,所以YF23曾经号称 ...


可以多分享一點為什麼遮擋有限呢?或者有沒有相關的文章?如果很直觀的想,假如飛機迎角大(例如40-50度),但飛行軌跡是平飛的話,或者穩盤,上反的尾翼會容易被阻擋但下反的不會。

不過其實這也要看,在保持上反到水平的活動範圍下,如果擴展到能夠下反,這個致動機構會增重多少,和有沒有其他的負面影響。
zgykk 发表于 2014-11-12 08:44
这种尾翼是不需要考虑下反的,参看YF23的V尾,在任何迎角下主翼对V尾的遮挡都非常有限,所以YF23曾经号称 ...


可以多分享一點為什麼遮擋有限呢?或者有沒有相關的文章?如果很直觀的想,假如飛機迎角大(例如40-50度),但飛行軌跡是平飛的話,或者穩盤,上反的尾翼會容易被阻擋但下反的不會。

不過其實這也要看,在保持上反到水平的活動範圍下,如果擴展到能夠下反,這個致動機構會增重多少,和有沒有其他的負面影響。
撸主飞控乃来写吧
你说的这种情况也不会有遮挡,内偏的V尾外侧可以作为阻力面提供偏航力矩。


當然,我也完全明白飛控會很難寫。。。但這種不靠材料靠研究所+碼農的技術,不是正適合我國嗎?何況這種技術難以複製,就算敵方偷到某飛機的飛控源碼,都不一定明白為什麼要這樣寫

當然,我也完全明白飛控會很難寫。。。但這種不靠材料靠研究所+碼農的技術,不是正適合我國嗎?何況這種技術難以複製,就算敵方偷到某飛機的飛控源碼,都不一定明白為什麼要這樣寫
zgykk 发表于 2014-11-12 09:01
你说的这种情况也不会有遮挡,内偏的V尾外侧可以作为阻力面提供偏航力矩。
明白。

不過我在想,如果下反,整個尾翼都會暴露在氣流中,飛機應該會更可控。但是你說的主翼下洗氣流會影響下反的尾翼,我也同意。

其實就算這個二維尾翼不下反,只算多了垂直到水平這一維,控制潛力已經大了很多。

剛發現一小時內只能發五個帖。。。
zgykk 发表于 2014-11-12 08:34
这个我也曾经设想过,JSF选型时有一款可能用了这个思路,就是那个大V尾的,那个V尾角度是不足以维持偏航操 ...
两块V尾上下差动即可产生偏航力矩。因为那15度叠角的缘故。波音的六代机构想,尾翼配平就用它。
你说的二维V尾的好处是可以降低配平阻力和适当减小V尾的面积,但对控制率的取得会有数量级的增加,本身也不会带来控制方式的变革,偏航仍然需要襟副翼的协调,参与滚转操作也得不偿失(需要V尾改平才能差动滚转),所以,用不用二维需要相当详尽的计算。
两块V尾上下差动即可产生偏航力矩。因为那15度叠角的缘故。波音的六代机构想,尾翼配平就用它。
这个我知道,但我怀疑15度V尾的偏航控制效率所以感觉有可能是二维的。

骆马的六代构想是浅V尾,播音的我记得是无尾,曾经被落马嘲笑。
renstd 发表于 2014-11-12 09:05
當然,我也完全明白飛控會很難寫。。。但這種不靠材料靠研究所+碼農的技術,不是正適合我國嗎?何況這種技 ...
这点飞控很难写吗?不会吧。飞控也不是越复杂越好的。
zgykk 发表于 2014-11-12 09:40
你说的二维V尾的好处是可以降低配平阻力和适当减小V尾的面积,但对控制率的取得会有数量级的增加,本身也不 ...
原本我的構想是尾翼會下反的話,那就不需要一定要改平就能差動滾轉,因為只要兩片尾翼的夾角接近180度就可以了,就是一上反一下反,然後差動就可以滾轉了。

不過我也沒有想到要取消襟副翼,這個尾翼差動對滾轉只是輔助性的,能加強瞬間滾轉必然是好事。

而你說的控制率問題我也同意,因為這個設計就是把垂尾和平尾的控制負擔,都放到這兩片尾翼上去了。然而如果下一代飛機,特別是戰鬥機,就希望只用兩片尾翼的話,正如你所想,二維尾翼的控制潛力應該比普通V尾為高。

飛控方面,當然不是為難而難。只不過這是一個新構型,要額外花時間吹風和寫代碼應該是少不了的。而我相信我們克服飛控,應該比克服材料容易。
renstd 发表于 2014-11-12 10:06
原本我的構想是尾翼會下反的話,那就不需要一定要改平就能差動滾轉,因為只要兩片尾翼的夾角接近180度就 ...
尾翼的功能主要是俯仰丶偏航。我想没有人愿意使用尾翼来滾转吧?!因为这不仅效率低,还大幅增加了阻力。不过也有例外:没有副翼的飞机只好使用尾翼来滾转,而且它还是一架名机,气人不?
楼主的“异想天开”已经被毛子实现了,----苏-33的折叠尾翼!(虽然没楼主说的功能)
意义不大。你这个相当于就是一种V尾方案的改型,让V字叉开的角度可调,从而可以根据不同情况优化叉开的角度。但总体思路是一样的,即用一对翼面来代替两对翼面的作用,从而节约重量。

但对于战机来说,俯仰方面的配平是远比偏航控制更重要的,所以可以肯定你这个V字叉开的角度不能太小(除非你有其它翼面进行俯仰配平,但这样的话本身V尾就几乎没有兼作水平尾翼的作用了),所以你这个V字的调节角度范围是很有限的,因此这样调节带来的好处恐怕非常有限,很可能无法抵消其因为增加一对转轴和机构而引起的坏处。

这还不提另外一个非常严重的问题就是随着V字角度调节,整机的配平会发生很大的变化,有可能为了弥补这个配平变化而带来的气动损失已经抵消调节角度带来的好处了,比如说我现在需要大迎角机动,需要V尾进行下压配平以拉高机头,此时V尾向下张开当作平尾使用,但因为V尾张开,机身后部升力增大,又产生了低头力矩,会抵消V尾的配平效果。所以综合下来很有可能这个角度调节带来的好处会非常有限,甚至可能得不偿失。
cofg 发表于 2014-11-12 10:48
尾翼的功能主要是俯仰丶偏航。我想没有人愿意使用尾翼来滾转吧?!因为这不仅效率低,还大幅增加了阻力。 ...
用差动平尾来加速滚转的飞机相当多吧。
cofg 发表于 2014-11-12 10:48
尾翼的功能主要是俯仰丶偏航。我想没有人愿意使用尾翼来滾转吧?!因为这不仅效率低,还大幅增加了阻力。 ...
當然,副翼的力臂一般都比尾翼長,又接近飛機重心,效率應該比較高。我也同意你說的尾翼的功能主要是俯仰丶偏航。

我說尾翼可以輔助滾轉,並不是要取代副翼。只是如果尾翼有能力增加瞬間滾轉率,那放着不用有點浪費嘛。正如就算有副翼,我們都樂於見到矢推差動輔助滾轉一樣。

當然,尾翼還是要以俯仰丶偏航為主。
dsandy1 发表于 2014-11-12 11:15
意义不大。你这个相当于就是一种V尾方案的改型,让V字叉开的角度可调,从而可以根据不同情况优化叉开的角度 ...
首先你說“俯仰方面的配平是远比偏航控制更重要的”,我是同意的。不過我認為,其實只要比較小的角度,也能夠產生不算小控制力。以很粗略的方法計算,假設尾翼上反30度,這時偏航力矩為sin 30=50%,俯仰力矩為cos 30=87%。而用前面JSF 15度的例子去計算,偏航/俯仰力矩分別為26%和97%。

然後你說“V尾张开,机身后部升力增大,又产生了低头力矩,会抵消V尾的配平效果。”這個說得很好,這方面我本來沒有想得很清楚。在靜不穩定的飛機上,抬頭力矩是自然的。大迎角下,這個抬頭力矩可能更厲害(因為重量重心比較後)。我們需要的,可能反而是低頭力矩來避免飛機繼續抬頭。

我想你說的角度調節範圍,似乎真的不一定需要很大就能控制偏航和俯仰。但如果想像可以一上反一下反,或者一反一平,那就變成尾翼可以與主翼成一夾角。這可以帶來甚麼氣動特性,我真的不知道。但這看來,很可能有一個提升機動性的潛力,值得研究。
刀道 发表于 2014-11-12 11:01
楼主的“异想天开”已经被毛子实现了,----苏-33的折叠尾翼!(虽然没楼主说的功能)
這個例子很好!如果二維尾翼機上艦,就不用另外設計摺疊尾翼了
dsandy1 发表于 2014-11-12 11:17
用差动平尾来加速滚转的飞机相当多吧。
我好象见过 F-22 就是这么干的。可能它那两块平尾矩离够宽吧?!而且那两块平尾特别巨大。我猜当时平尾差动的阻力可以由F-22它的大牛发动机来低消,避免使用副翼而干扰了主翼的升力曲线。不知对否?
俯仰比偏航重要得多,歸根究底其實是因為地球重力的關係。有了這個二維尾翼之後,是否可以把俯仰和偏航的界線模糊化呢?作為類比,就像一個直角坐標系統,變成一個極座標系統加上重力的影響。
zgykk 发表于 2014-11-12 09:40
你说的二维V尾的好处是可以降低配平阻力和适当减小V尾的面积,但对控制率的取得会有数量级的增加,本身也不 ...
被你的說話提醒了,其實第三個前後移動的動作筒可能是不需要的。就算迎角不變,只需要調整反角,即能調整尾翼的配平升力。

這個不單可以降低配平阻力,更可以讓尾翼配合亞音速到超音速配平需要的變化。
renstd 发表于 2014-11-12 12:11
俯仰比偏航重要得多,歸根究底其實是因為地球重力的關係。有了這個二維尾翼之後,是否可以把俯仰和偏航的界 ...
我曾设计过(抄NASA的)一款无俯仰控制的飞机,只有一块固定的垂尾。飞机的高度由速度来调节。因为机翼100%不会失速,机身自纠平行。把它做成电动航模后,很好玩。失去动力后,自已可以“漂”下来。所以,“俯仰比偏航重要得多”还不一定喔。(抬杠,开玩笑)
cofg 发表于 2014-11-12 12:48
我曾设计过(抄NASA的)一款无俯仰控制的飞机,只有一块固定的垂尾。飞机的高度由速度来调节。因为机翼100% ...
那這是因為主翼嘛

自製航模好厲害!我一直都想自製,奈何沒有專業知識。。。上面說的東西都是很方向性的,沒有甚麼數據去支撐。。。 你是航空專業的嗎?
跟边条涡之间会有冲突。
边条涡在设计的的时候,会考虑垂尾的位置。而你这个垂尾几乎无处不在。
cofg 发表于 2014-11-12 12:06
我好象见过 F-22 就是这么干的。可能它那两块平尾矩离够宽吧?!而且那两块平尾特别巨大。我猜当时平尾差 ...
不用那么高科技,八爷就有。 歼8II上差动平尾的应用使得滚转速率比歼8I提高了45%,就靠着这个硬是让双发的八爷滚转性能碾压了单发的七爷。
dsandy1 发表于 2014-11-12 14:14
不用那么高科技,八爷就有。 歼8II上差动平尾的应用使得滚转速率比歼8I提高了45%,就靠着这个硬是让双发 ...
我相信。因为歼8II的平尾宽度几乎靠近大掠角三角翼的翼展了。
还有主翼能同时改变安装角、上反角的神机呢~~@FFR-41MR MAVE
renstd 发表于 2014-11-12 12:53
那這是因為主翼嘛

自製航模好厲害!我一直都想自製,奈何沒有專業知識。。。上面說的東西都是 ...
其实飞机静稳定是指飞机自纠平行的能力。机身不平行是因为机翼的缘故,它“带坏”的。所以,如何解决机翼失速的问题,怀特兄弟那时候已经在争论了。当时有一飞行界前辈曾指责怀特兄弟瞎搞。因为固定翼飞机失速问题无解,将会摔死人的。结果一语成谶。历史上大部分飞机掉下来都是直接或间接机翼失速引起的。

能否100%解决机翼失速的问题,怀特兄弟的年代就已经有了构想。NASA 70年代有过几次研究。有位研究员退休后把设计改成航模,我照猫画虎抄了下来。
有鸟的感觉了,想法不错,但是控制可能会复杂的可怕。我估计机身传感器方面就要先有巨大突破才能开始!!…
为什么好多人说俯仰比偏航重要?二者似乎没法比谁重要吧,那个方向控制不好都要甩掉。而且,俯仰方向控制手法比横航向多,纵向是单独的而横航向是耦合的,控制起来更难。
cofg 发表于 2014-11-12 14:53
其实飞机静稳定是指飞机自纠平行的能力。机身不平行是因为机翼的缘故,它“带坏”的。所以,如何解决机翼 ...
100%解决失速问题的方法是什么?有没有文章看看?或者看看你的模型?