从歼-20俯仰配平，看四代机装鸭翼的三个弊病

前成飞设计所所長王南寿曾说: “我国的气动研究与美国的差距非常大，因为美国人本土不打仗又有钱,所以他在这方面的积累比我们强得多。我国自己研制的三代机歼-10是鸭式布局,所以这方面的模型吹风必然是最多的，对这种布局的各种情况会掌握的比较全面,所以四代机(歼20)继续选择这一方案也就顺理成章了，具体的方案就是歼-10的宋文璁总师在论文中提到的大边条丶小展弦比中等后掠角机翼、全动垂尾布局”。就是说，歼-20布局是建立在歼-10鸭式布局的模型吹风基础上的一种“顺理成章”的伸延，所以它不太可能釆用常规布局，还是釆用了鸭式布局。

战机姿态控制包含俯仰、滚转与偏航方向，其中俯仰方向安定性和操控性(大仰角机动)是对飞行最重要的飞控参数。



如果以俯仰控制面安装位置对飞机分类，则可分为鸭翼丶水平尾翼丶无尾翼丶以及同时安装鸭翼和水平尾翼的三翼面布局。

本文从简单的气动力学观点出发，对歼-20四代机(俄标五代)的鸭翼布局，特别是与常规布局如F-22的的俯仰特点做一点初步比效。

1. 战机的机翼在高速飞行的同时除了产生升力丶阻力之外，还产生了向前翻滚的低头力矩。战机的速度越高，向前翻滚的低头力矩就越大。



“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。以超音速性能著称的米格-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。
　　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。”广为人知的 LAVI 战斗机就始终未能解决大迎角配平问题。因此，在当年 ATF 方案论证时虽然出现过不少鸭式布局方案（老航迷们应该还记得 80 年代采用鸭式布局的“YF-22”的想象图），但 F-22 最终还是选择了具有较强配平能力的正常式布局，纵向静稳定度也大幅放宽”。(方方)

就是说现代战机大多采用静不稳定布局无非是减少低头力矩的压力。但是不管是平尾或鸭翼布局的飞机，放宽静不稳定不是无限的。所以，在放宽静不稳定的同时，衡量战机大仰角机动的能力，主要还要看其配平力臂。配平力臂越長，配平效率越高(杠杆原理)。

配平力臂一般是指配平翼面的中心到重心的距离。而寻找飞机的重心很简单：主起落架的位置往前一点(擦地角)。


现在通过重心的位置就可以拿四代机鸭翼布局为代表的歼-20与常规布局为代表的F-22的配平力臂作一比效了。(TSQ截图)


由于飞机的配平力臂越長，配平效率越高，故普遍来说鸭翼距离重心较近，配平能力不足。上图歼-20与F-22的比效，配平力臂却短了42%，配平效率差很远。

但是，“鸭翼配平能力不足”不是绝对的。欧洲台风为了解决鸭式布局配平力臂短小的缺点，以牺牲台风的下视空间，把鸭翼延伸到飞行员的脚下，加長了鸭翼的配平力臂。


欧洲台风把鸭翼延伸到飞行员脚下的先决条件：布局必须是下单翼才可以让鸭翼与主翼上下之间拥有充够的间隔。

而作为内置弹舱的四代机，鸭式歼-20布局一定是上单翼。如果象欧洲台风那样把鸭翼拖延到飞行员脚下的话，鸭翼就在主翼的下方了。所以，歼-20的鸭翼无路可走，只能够伸延到驾驶舱的后背为止。故鸭翼四代机的配平力臂缺点就是这样产生的。

2. 除了配平力臂短小的这一个缺点以处，鸭式歼-20另一个俯仰配平的缺点是由它的襟翼产生的。


由于飞机襟翼往下偏转而增大升力的同时，也产生了低头力矩。襟翼的力臂越長，产生的低头力矩越大。

(如果战机大仰角飞行需要增大升力，襟翼就要往下偏转)

从上图阵风战机的姿态来看，鸭翼比襟翼的下偏角大了许多，已经没有多少裕量可用。因为襟翼往下偏转而增大升力的同时，也产生了低头力矩。就是说鸭翼的配平效率被下偏的襟翼消耗了一大部分。故襟翼的力臂越長，产生的低头力矩越大，对鸭翼的效率危害也就越大。也可以说：襟翼往下偏转而增大机翼升力的好处需要拿“加大低头力矩”这缺点来换取。可见歼-20的 5.5米襟翼力臂比F-22的4.0米長太多了，对大仰角性能不利。


由于四代机比效三代机多了一个弾舱内置的条件。而内置弾舱无非是放在发动机之前或放在两发动机之间。
现在歼-20两发动机紧靠，内置弾舱与发动机只能前后串列在一起。重心再往下拉就不利于丢弾后平衡了。从上图可以看见歼-20重心线在弾舱的大概位置。

所以，与众多的鸭式三代机做比效，由于弾舱内置的条件，歼-20被迫缩短它的配平力臂的同时，也拉長了它的襟翼力臂，使其俯仰配平效率和大仰角机动的能力没有多少明显的优势。与F-22做比效的话，就差的更远了。

3.以抬式布局的说法，鸭翼布局是前翼升力加后翼升力,而常规布局的水平尾翼是负升力。


但是，从上图可见，抬式布局的说法，鸭翼布局∶前翼升力加后翼升力是在静稳定状态出现的。而在静不稳定时，常规布局的水平尾翼却成了正升力，反过来了。


上图 F-35在静不稳定飞巡时，平尾翼上偏产生了正升力。

静不稳定的常规布局的飞机巡航，其平尾翼上偏产生正升力对升阻比有很大帮助。它可以减小油耗，加大航程。而静不稳定的鸭翼布局飞机在这方面就处于弱势。
而且与鸭翼布局作比效，尾翼的仰角随着大仰角机动而续渐减小，处于卸载状态。(下图)


可见，美俄的四代机最终没有釆用鸭翼布局不是没有道理的。故面对这三个缺点，四代机搞鸭翼布局就很悬。
前成飞设计所所長王南寿曾说: “我国的气动研究与美国的差距非常大，因为美国人本土不打仗又有钱,所以他在这方面的积累比我们强得多。我国自己研制的三代机歼-10是鸭式布局,所以这方面的模型吹风必然是最多的，对这种布局的各种情况会掌握的比较全面,所以四代机(歼20)继续选择这一方案也就顺理成章了，具体的方案就是歼-10的宋文璁总师在论文中提到的大边条丶小展弦比中等后掠角机翼、全动垂尾布局”。就是说，歼-20布局是建立在歼-10鸭式布局的模型吹风基础上的一种“顺理成章”的伸延，所以它不太可能釆用常规布局，还是釆用了鸭式布局。

战机姿态控制包含俯仰、滚转与偏航方向，其中俯仰方向安定性和操控性(大仰角机动)是对飞行最重要的飞控参数。



如果以俯仰控制面安装位置对飞机分类，则可分为鸭翼丶水平尾翼丶无尾翼丶以及同时安装鸭翼和水平尾翼的三翼面布局。

本文从简单的气动力学观点出发，对歼-20四代机(俄标五代)的鸭翼布局，特别是与常规布局如F-22的的俯仰特点做一点初步比效。

1. 战机的机翼在高速飞行的同时除了产生升力丶阻力之外，还产生了向前翻滚的低头力矩。战机的速度越高，向前翻滚的低头力矩就越大。



“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。以超音速性能著称的米格-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。
　　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。”广为人知的 LAVI 战斗机就始终未能解决大迎角配平问题。因此，在当年 ATF 方案论证时虽然出现过不少鸭式布局方案（老航迷们应该还记得 80 年代采用鸭式布局的“YF-22”的想象图），但 F-22 最终还是选择了具有较强配平能力的正常式布局，纵向静稳定度也大幅放宽”。(方方)

就是说现代战机大多采用静不稳定布局无非是减少低头力矩的压力。但是不管是平尾或鸭翼布局的飞机，放宽静不稳定不是无限的。所以，在放宽静不稳定的同时，衡量战机大仰角机动的能力，主要还要看其配平力臂。配平力臂越長，配平效率越高(杠杆原理)。

配平力臂一般是指配平翼面的中心到重心的距离。而寻找飞机的重心很简单：主起落架的位置往前一点(擦地角)。


现在通过重心的位置就可以拿四代机鸭翼布局为代表的歼-20与常规布局为代表的F-22的配平力臂作一比效了。(TSQ截图)


由于飞机的配平力臂越長，配平效率越高，故普遍来说鸭翼距离重心较近，配平能力不足。上图歼-20与F-22的比效，配平力臂却短了42%，配平效率差很远。

但是，“鸭翼配平能力不足”不是绝对的。欧洲台风为了解决鸭式布局配平力臂短小的缺点，以牺牲台风的下视空间，把鸭翼延伸到飞行员的脚下，加長了鸭翼的配平力臂。


欧洲台风把鸭翼延伸到飞行员脚下的先决条件：布局必须是下单翼才可以让鸭翼与主翼上下之间拥有充够的间隔。

而作为内置弹舱的四代机，鸭式歼-20布局一定是上单翼。如果象欧洲台风那样把鸭翼拖延到飞行员脚下的话，鸭翼就在主翼的下方了。所以，歼-20的鸭翼无路可走，只能够伸延到驾驶舱的后背为止。故鸭翼四代机的配平力臂缺点就是这样产生的。

2. 除了配平力臂短小的这一个缺点以处，鸭式歼-20另一个俯仰配平的缺点是由它的襟翼产生的。


由于飞机襟翼往下偏转而增大升力的同时，也产生了低头力矩。襟翼的力臂越長，产生的低头力矩越大。

(如果战机大仰角飞行需要增大升力，襟翼就要往下偏转)

从上图阵风战机的姿态来看，鸭翼比襟翼的下偏角大了许多，已经没有多少裕量可用。因为襟翼往下偏转而增大升力的同时，也产生了低头力矩。就是说鸭翼的配平效率被下偏的襟翼消耗了一大部分。故襟翼的力臂越長，产生的低头力矩越大，对鸭翼的效率危害也就越大。也可以说：襟翼往下偏转而增大机翼升力的好处需要拿“加大低头力矩”这缺点来换取。可见歼-20的 5.5米襟翼力臂比F-22的4.0米長太多了，对大仰角性能不利。


由于四代机比效三代机多了一个弾舱内置的条件。而内置弾舱无非是放在发动机之前或放在两发动机之间。
现在歼-20两发动机紧靠，内置弾舱与发动机只能前后串列在一起。重心再往下拉就不利于丢弾后平衡了。从上图可以看见歼-20重心线在弾舱的大概位置。

所以，与众多的鸭式三代机做比效，由于弾舱内置的条件，歼-20被迫缩短它的配平力臂的同时，也拉長了它的襟翼力臂，使其俯仰配平效率和大仰角机动的能力没有多少明显的优势。与F-22做比效的话，就差的更远了。

3.以抬式布局的说法，鸭翼布局是前翼升力加后翼升力,而常规布局的水平尾翼是负升力。


但是，从上图可见，抬式布局的说法，鸭翼布局∶前翼升力加后翼升力是在静稳定状态出现的。而在静不稳定时，常规布局的水平尾翼却成了正升力，反过来了。


上图 F-35在静不稳定飞巡时，平尾翼上偏产生了正升力。

静不稳定的常规布局的飞机巡航，其平尾翼上偏产生正升力对升阻比有很大帮助。它可以减小油耗，加大航程。而静不稳定的鸭翼布局飞机在这方面就处于弱势。
而且与鸭翼布局作比效，尾翼的仰角随着大仰角机动而续渐减小，处于卸载状态。(下图)


可见，美俄的四代机最终没有釆用鸭翼布局不是没有道理的。故面对这三个缺点，四代机搞鸭翼布局就很悬。