无责任转贴：对鸭式飞机的一些误解和理解

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头顶砖上浮
现在有两种极端的论调，一种因为我国出现鸭式布局战斗机J10，20的，极力鼓吹鸭式无敌论调，一种则以美国某种论调“鸭式最好装在敌人的飞机上”为主，极力贬低鸭式布局。

        毫不客气地说，这两种论调都是不科学，都是故弄玄虚的。首先，我们要搞清楚现代鸭式布局是怎么来的，和为什么发展的。现代鸭式布局的发展来源于瑞典科学家Behrbohm1966年发现的近矩耦合现象，这种现象在70年代初期和中期引起主要空气动力学研究国家的兴趣，AIAA，NASA，俄罗斯中央流体，欧洲的一些空气动力中心等等对此现象都进行了一系列研究。
        近距耦合现象首先是针对无尾三角翼的一种发展，它的构型，控制都是以无尾三角翼为基础的，因此在一系列带有误导性针对鸭式布局配平能力的质疑，都有意识的绕开这个配平基础，企图单独谈论前翼的配平能力，从而实现以点破面的目的，OK，作为辩论技巧，这个无可厚非，但作为专业人员向普通公众科普，那就是妖言惑众了，或者说，他自己也对近距耦合不懂装懂。我们知道，法国达索设计了一系列性能不错的无尾三角翼战斗机，这些飞机并不逊色于同代的战斗机，在近代空气动力学上，无尾三角翼的布局对比常规布局，除了超音速阻力较小，没有任何的配平和控制方面的优势，即便如此，仍然诞生了象幻影2000这样优秀的战斗机，西方三代机唯一的交手记录是无尾三角翼的幻影2000击落正常布局的F16,这又如何？难道战果能证明无尾三角翼比常规布局优异？


        学习设计的人，都应该知道实现一个目的，本身有很多手段和渠道，比如M2K和F16都是非常优秀的战斗机，不能因为F16是常规布局，那么常规布局的那些在大迎角中的研究和数据表格是不是证明F16大迎角性能一定好过M2K呢？事实上很残酷的结果是F16允许使用的迎角范围比M2K还要小，而这两种飞机在迎角限制外也都没有什么特殊的大迎角性能和表现。


        对于鸭式布局，美国AIAA可能是公布研究报告最多的国家，这并不意味着美国是最能掌握这个布局的国家，70年代AIAA很多研究本身都是有一定目的的，比如垂直起降，比如短距起降，比如大迎角，超音速巡航等等，诸多构型中，很多时候鸭式布局都表现出非常良好的性能，大多数时候，在目的范围内都表现出比常规布局优异的性能，这也是为什么在80年代初ATF招标以后大多数观察家都认为将以鸭式布局的飞机为主。值得注意的是，美国AIAA从70年代中期开始展开先进控制的研究，ATF的成果恰好是先进控制研究的成果体现，而在先进控制的研究中，鸭式布局的课题在80年代才开始，到ATF设计成型以后，都还没有结束，所以，某种论调说美国在第四代战斗机中未采用鸭式布局，是因为还没掌握这一布局的说法，也是有一定道理的。


        我们来看看近距耦合的鸭式布局，这种布局是一种很复杂化的空气动力学现象，首先要辟除一个传统科普中流行的误区，近距耦合本身就是一种气动现象，它是前翼和机翼上洗和下洗的综合作用产生的一个增升的现象，简单的说，机翼产生升力的原理是机翼上下表面的气流流速差产生了压力差，而近耦现象则是人为的用能量较弱（即较慢的气流）增大机翼上下表面差，形成增升的现象。所以，近距耦合的下洗属于有利下洗，很多人一直非常蛋疼的担心这个下洗，其实没有必要，如果没有了它，就没有近距耦合现象了。而涡升力又是怎么一回事呢？机翼上下表面气流正常情况应该是稳定的层流，机翼靠增加上表面气流的行程来实现上下流速差，从而产生压力差获得升力，而在上表面增加一个涡流，把气流卷动转几个圈，实际上是大幅度增加了机翼上表面的气流行程，产生了更大的落差，形成了增升的现象。边条翼就是利用涡升力的典型代表。鸭式布局之所以复杂，就出现在它不是一个单一气动现象的载体，前翼既产生近距耦合现象影响机翼的升力，又自身形成升力影响飞机的总升力和控制力距，还在超过一定迎角以后产生涡流，形成涡升力，我们可以看到，近距耦合现象和涡升力现象实际上是机翼在发挥主要作用，都是增升现象叠加在机翼上产生的效果，因此鸭式布局主要控制手段还是和无尾三角翼一样依靠后襟翼，但是前翼也会产生升力，也能产生一定的控制力矩。


        由此，我们可以看到，鸭式飞机实际上设计是比常规布局困难很多，它要面对前翼角度变化形成控制力矩，涡升力增量的以及前翼本身升力非线性和涡升力非线性的综合结果。但是，如同70年代初期大家看到的那样，近距耦合的鸭式布局，天生在升力方面有优势，特别是在低速状态，它能产生很好的短距起降能力，瑞典的JS－37雷式战斗机，就是纯粹只利用近距耦合现象设计的飞机，前翼不可偏转，基本不产生控制力，前翼上的舵面偏转只是为了保证气动中心不发生大的变化，飞行迎角限制在还不能产生涡流的角度。雷式飞机短距起降能力在2代机里独树一帜，稳定盘旋能力也比纯无尾三角翼设计的幻影3式飞机优越。


        西方第三代战斗机前期主要依靠高参数，如大推重比低翼载，代表是F15和M2000,后期靠较先进的控制技术利用涡升力代表是F16,F18。可以说，这两种技术途径构成的飞机都足够的强，F15是西方空战性能最强的第三代战斗机，它没有多么先进的气动布局，所以用高推重比，低翼载，而M2K则是瞬时盘旋天下无敌，为了实现这个目的，幻影2000的作战翼载才227KG／M^2，而利用涡升力的 F16这个数据则在 330－350左右，显然，除了性能取舍以外，技术条件导致两者选择的差异，法国没有美国那么强大的发动机，M2K如果选择和F16那样类似的气动布局，不仅仅不能实现高机动，超音速，航程，载弹量等等问题都无法实现，事实上的例子证明了气动布局只有合适的，没有最好的。而鸭式布局正是人们对常规布局的诸多缺陷和限制产生不满以后刻意追求的。


        我们来看看三代机边条翼技术的情况，边条翼技术是西方60年代研究双三角翼的进化产物，是屈西曼涡升力理论的事实利用，双三角翼在较大的迎角时，在内外侧机翼拐角处产生一个分离的涡，在60年代，人们对这个涡认识不足，觉得它是一个有害的东西，它会引起升力斜率异常，这里的异常主要指非线性增加，同时，它会一定程度改变机翼的升力中心的位置，干扰飞机的控制，因此，这一时期出现的双三角翼飞机都在拐角处用隔板或翼刀或前缘锯齿，把这个现象削弱，或者干脆限制可用迎角，不让分离现象发生，这一代的代表作是苏－15和SAAB 35。随后空气动力学家门研究如何移动双三角翼的折角点让涡出现的现象从不利变为有利，毕竟双三角翼是一个兼顾超音速和亚音速性能不错的方向，这个研究延伸出早期的边条翼，F16,F18，mig29,su27都属于早期的边条翼设计，这一代所利用技术主要还是着眼于提高飞机升力斜率，提高飞机在可用迎角内的升力系数，任何可用迎角以外的性能，都不是设计前刻意追求的，大多都是巧合。第一代的边条翼飞机投入使用以后，获得巨大的成功，它能显著提高飞机实现高升力构型的可能，比如F15和 F16在相似的性能曲线时，F16的推重比小8％以上，机翼载荷高20％以上，推重比小以为着对发动机要求较低，或同样发动机可以获得更高的性能，而机翼载荷增大则意味着可以使用更小的机翼面积，能够减轻重量，减小体积。


        更新一代的飞机技术实际上是在上个世纪70年代末就产生和积累的，如果不考虑隐身这个划时代的东西，仅空气动力学上的进展，欧洲的鸭子复兴明显更让人感兴趣，鸭子让人感兴趣的主要原因还是来源于涡升力的利用，常规布局使用边条翼，在迎角超过可用限制迎角后，会产生不可抑制的上升趋势，这是因为出现涡破裂以后，机翼失速升力下降，但前部的边条翼和机身机翼的一部分还有较高的升力，这导致巨大的抬头力矩，几乎所有的第一代边条翼整场布局的飞机都有过仰的问题，最著名的就是苏－27的普加乔夫眼镜蛇，这个动作就是一个不可遏制的快速上仰过极限到自然恢复的一个过程，米格29也能做这样的动作，只是成功率较低，不同飞机的过仰角度都不同，比如苏27单座可以达到110度，但双座就只能90度，米格29就只能90度，据说美系的F-16和18也有类似的过仰动作。过仰不是大迎角飞行能力，他们不能实现超过迎角的26度到停下来的110度间任何一个角度的控制，这是很危险和无法利用的。因此，才有人对鸭式布局感兴趣，鸭式布局在涡升力的利用上，和常规飞机完全相反，边条翼飞机的涡产生和飞机的迎角是固化关系，在10度以内，边条翼基本不产生涡或者很微小，几乎没有影响，而鸭式布局，由于前翼可动，它可以在机翼处于不同迎角下就可以提供可以控制强弱的涡，这个可控制的涡，可以用于增加飞机的过载，也可以用于改变飞机状态，既既可以增强机动性又可以增加控制力，由于前翼的偏转的升力增加和涡升力的增加，以及控制的力矢量方向一致，鸭式布局对飞机大迎角飞行和控制能力是明显超过常规的边条翼布局的，和常规布局的过仰不同，鸭式飞机对大迎角状态有天生的自然恢复能力，这个能力随后在X31和X29的试飞中得到证实，X31可以不凭借推力矢量自由地进入45度以下的任何一个角度，可以稳定飞行和从中退出，而此前的F／A－18实验机必须使用机头的特殊辅助设备才能保证比较稳定的迎角飞行，但退出都还有不少限制，而X29有更特殊的更稳定的机翼，可以在无推力矢量控制的帮助下可控进入和退出70度以下任意迎角。


        关于X31和F18的模拟空战，这是基于美国海空军希望了解推力矢量对近矩空战影响的一个研究，和飞机的布局是没有关系的，X31设计时没有考虑过过多的机动性，甚至于不是超音速飞机，它的设计点仅为0.9马赫，只是飞机实际上阻力较小，可以飞到1.28马赫，另外飞机推重比也较低，虽然404发动机有7.2吨最大推力，但是由于三瓣式尾喷管的原因，实际推力损失在6－12％之间，X31的空战推重比勉强达到1,比F18低10％以上。因此，NASA的判定是F18一方原本是具有优势的，试验结果也表明这个最初的设想，X31不使用TVC时，胜率非常低，这符合两者性能差异，F18的飞行员反应，飞机根本不需要和X31纠缠，俯冲加速摆脱很有效，X31的跨音速加速性能非常差，另外机炮战的设定，让飞行员可以大摇大摆的在X31前方从容加速等待两者间距慢慢拉开。一旦X31使用推力矢量，胜率就出现逆转，F18首先是很难锁定对手，X31的滚转非常有效，在号称三代机中减速最快，滚转性能最好的F18面前， X31可以很轻松脱离开瞄准线迫使敌机冲前，并且X31在盘旋中切内角切尾后的能力大增。由于X31除TVC外已知性能均远落后于任何一种现役鸭式布局战斗机，且当年机炮战的设定限制，用X31的胜率来说明鸭式飞机的性能不如正常布局，是毫无道理的，倒是法国海军每年和美国海军联合训练中，阵风飞机在空战中的表现和双方的评价，可能更有说服意义，恰好阵风M的推力和重量与F／A－18C基本相当，这里不再累诉，结论方面是阵风具有优势，最近几年还有和超级虫之间的空战模拟，也有不少评价，有兴趣可以去搜搜看。


        再来说说第一代鸭式战斗机的表现把，第一代发展成功的鸭式战斗机只有阵风，台风，棍子，鹰狮这四种，从设计来说，各有侧重，但都属于近距耦合鸭式布局，总体取值上鹰狮和棍子相似，其他两种则各自走一条路。第一代鸭式布局的飞机，和第一代边条翼飞机一样，都没有特别强调大迎角迎角限制也没有比边条翼飞机高多少，他们还是强调在可用范围内的高升力。这些鸭子的设计中，台风是技术取值最保守的，它在这几个型号飞机中，主要只利用近耦现象，不太利用涡升力，而且特别看重前翼的舵效，它拉开前翼和机翼的距离，减小上洗的强度，主要是换取长的舵力矩和较低的跨超音速阻力。由于增升效果不是特别理想，台风机翼载荷取值要比其他型号小不少，这才能满足机动性的要求；阵风是完全从无尾三角翼发展而来，它是把近耦现象和涡升力以及舵的效用利用最综合的一家，但是基于控制的复杂性以及阻力等因素的考虑，阵风的前翼面积和机翼面积之比最小，也就是说，尽管高效，实际在增升和控制方面的效能也还是差不太多，只是取得了一个超级紧凑的机身布局；棍子和鹰狮则是类似的思路，这两个国家没有吧飞机当作第三代的接班人或者压制者，而是把飞机按第三代战斗机的要求合标准研发的，因此特别重视近距耦合效应，前翼的舵面效能其次，涡升力最后，因此，两者的前翼距离机翼的距离几乎在最佳近耦效应区，前翼面积和翼展较大，可以产生很强的综合效应，但同时，这两种飞机都不允许前翼在飞行中大的正偏角，进入强涡流发生状态，减小控制的压力。因此这些飞机实际上一样没有很强的大迎角飞行能力，这是原来设计没有要求，他们的试飞飞机却能表现出一些以前的预期，比如鹰狮的迎角最大飞过160度，这也是一种过仰，只是一种极限的展示，鹰狮的试飞表明飞机有在55度以下迎角飞行可控的能力。


        敏捷性的问题，它出现在80年代中后期，实际上已经不在第一代边条翼飞机和鸭式飞机的气动技术准备里面了，敏捷性甚至于都不在美国第四代战斗机的气动技术准备之中了，只是后来的成果直接影响了最后的设计与中标。对敏捷性的定义，认识，和作战实际效能，在美国和其他国家都曾经广泛争议，最后，大家同意并约定，敏捷性指飞机改变运动指向的能力，简单地说，就是快速改变飞机的飞行姿态和运动轨迹，这种轨迹和传统拐弯不同，它不仅仅是发生在水平面的，敏捷性具体的飞机动作就是带迎角滚转。敏捷性的出现代表空战理论的第二次科学进步，能量空战的出现，人类第一次可以用数学公式和量值图表来反应空战战术和飞机性能，能量空战基于机炮战的研究基础，它指导了第三代战斗机的设计革命，并成为战斗机设计的理论基础之一，但是能量空战可以描述线性的运动空战，它不能描述因大离轴全向攻击导弹出现以后的非线性问题，即角度空战的问题，现在敏捷性的出现，角度空战也有了可以预测，可以设计和控制的理论基础。美国的第四代战斗机的设计中，原来是没有敏捷性的概念的，4S中的超级机动性的描述在发标时是没有明确的指标的，而随着敏捷性的研究，ATF招标中对超机动的要求逐渐转化成对敏捷性的要求。第一个按照能量和敏捷性设计的飞机是超级虫，超级虫没有特别强调飞机要有9G的极限过载能力，它的很多飞行指标数值都不太突出，但是，在实际空战中，超级大黄蜂是种可怕的飞机，它能非常快速的改变飞机的运动轨迹和机头长期指向某个方向，飞机的状态变化剧烈，配合最新的AIM-9X和头盔瞄准显示器，超级虫可以干净利落的面对所有美国第三代战斗机取得胜果。


        敏捷性对鸭式飞机来说是个福音，在空气动力学界有个流行的看法，鸭式布局都是敏捷的，近距耦合的鸭式布局本身滚转性能就非常高，这是因为其机翼的转动惯量小的原因，而敏捷的带迎角滚转则由于近距耦合布局的机翼真实迎角小，飞机在同样机头指向角时的滚转实际机翼迎角比常规布局小，这意味着更小的阻力和更高的能量蓄存能力，或者更大的机头指向角度能力，此外鸭式飞机天生的上仰速度快反馈快的优势也恰好符合敏捷性对速率的要求，再加上如果前翼差动，会比常规布局的平尾差动产生成倍的滚转力。目前的4种鸭式飞机在控制系统许可的30度迎角以内的滚转速率，基本都优于第三代战斗机。


        最后的话题留给有争议的部分，F22 VS J20。

        老实说，从气动上比较两者的优劣是个愚蠢的问题，因为我们缺乏很多准确的数据，仅仅从外形和一些风洞资料来看，顶多了解两者间的特性差异。对于F22来说，它出现比较早，各国有很多研究文献出现，甚至包括美国自己也公布了很多关于22的技术文档，而J20则不同，公开可看的论文非常稀少。有些大概的问题，我们可以明确，比如两者推力范围，基本都在150KN级，飞机的大小也比较类似，J20稍微长一点，机翼面积F22有78平米，而J20的数据是根据照片估测的，有一定误差，目前看来略小于22的数值，考虑到实际的发动机技术，J20的动力系统和机体空重应该比22重一些，差别比例个人认为参照M2K－5和F16C的重量差比例，应该较为可信.照理说F22出现到现在已经有20多年了，外界应该对其气动认识较为深刻了，但是，就目前主流的评价而言，认识是差距很大的，不知道是某些科研流于表面，还是用过于传统的小学生思维去思考大学课题，F22已经是很明显的现金控制的产物了，空气动力研究中还在用传统的翼－身翼的气动方法研究，至于那个55度时还有上仰趋势之类的说法，请搞清楚前因后果，一架飞机，不管怎么设计总是以平飞为主的，在平飞时的配平，即便不是最小阻力状态，也要接近最小阻力状态，上仰趋势是不错，有多大？能够产生支持持续上仰的力矩么？如果是，那么目前流传那些照片无疑是没办法说明这各趋势的，因为我们会看到F22在55度以下迎角平尾和襟翼总是上偏，不会出现下偏，而平飞时，要遏制这个上仰趋势，平尾必须上偏较大角度平衡飞机姿态，现实是很无情的，任何不懂装懂和故弄玄虚都是会被现实所打脸。F22这样的飞机抛弃其各舵面在控制下的分别状态和作用来单纯研究和分析，那是很愚蠢的，此外，F22的设计取值非常微妙，布局选择和设计，各翼面位置都很精巧，有特殊的用意和目的，因此，某国在风洞试验中常常获得一些不确定的成果，比如最大升力系数，从1.6～1.8都有吹过，但是又不敢相信美国四代机仅仅达到这个水平，后来背景研究参照时，又提出2.0这么一个没有试验支持的数据，这其实说明某国的空气动力研究能力还是有很大差距的，至今某些专家也还没能读懂和掌握切入机翼的平尾设计的优缺点和用意，那很多的关于22气动报告，有多大实际意义，还真不好说。


        正式聊20之前说说先进控制对空气动力学的意义，我们传统设计飞机，一个运动方向的改变，都专门设计了一个舵面控制，比如方向，有方向舵，俯仰有平尾，横向转动，有副翼，起飞降落或大过载机动需要增加升力，有襟翼，几乎每个舵面都专门设计，各司其职。但是，这只是我们在技术限制的条件下的人为的区分，飞机的控制，并不仅仅只有我们设计的这个舵面才有这样的能力，比如转弯，不用方向舵，可以用副翼加平尾也能实现，俯仰通过襟翼也能实现，所谓先进控制，就是指利用计算机主动控制技术，综合利用舵面的动作实现一个操作。很显然，这种综合控制可以极大的扩展飞机的控制能力，并且可以让飞机的气动部件能处于最佳的工作状态，或者能由原来低效部件转化为高效部件，比如平尾，常规布局中，平尾是升力的破划者，因为它的操作力方向和运动方向是相反的，你要上仰它必须产生向下得力，这不仅不产生升力，还抵消了一部分机翼的升力，在先进控制中，你可让襟翼和平尾综合动作产生上仰动作，而另这两者都同时产生对升力的贡献，从而极大的提高飞机的气动水平和能力。先进控制是建立在电传控制系统的基础上的，只有电传控制系统才能让操作动作和舵面动作脱离开，而计算机按最优化方式控制，第一种综合舵面控制是F16的襟副翼，它把襟翼和副翼融合到一起，舵面效果比单独的襟翼和副翼都强，采用它的F16,苏27机动性都非常好。三代机还算不上先进控制，只是开始使用和普及电传控制系统而已，使用先进控制系统以后的飞机分析空气动力学方面的问题，不能再单独说机翼如何，尾如何，必须放到一起综合考虑，特别是必须在有配平的情况下考虑。


        好了，开始吹J20，目前大家对20的气动布局的一些了解，大概都是从宋文骢早年的一篇前瞻性文章中靠对号入座了解到的，应该说，那篇文章本身只是一个概念性的科普文章，把鸭式布局的进一步发展做了一个探讨。宋的文章本身还没有提及多少先进控制的事情，只是对鸭式布局添加进边条的影响做了一些探讨。前面我们说过近距耦合的鸭子本身的增升有三种效应，本身升力，下洗，涡，前翼涡一般出现在10度以后，大约15度以后变得明显，但是前翼涡的出现和前翼自身的升力变化有点非线性，所以棍子的前翼上偏被限制到涡生成较少的区域，一旦前翼产生强烈的涡，前翼自身的配平力就比较弱了，需要襟翼更强力的控制俯仰，为了增大鸭式布局的升力效率，台风在机翼和前翼之间增加了一个侧板，阵风则是有个比较小而隐蔽的边条，20比较大胆，它干脆在机翼前面直接象三代机那样放了个尖拱边条，这样一来，机翼和前翼的距离就被拉开了，近距耦合效应有所降低，同时，阻力因素也在降低，但近距耦合现象依然存在，在前翼和机翼间放进边条，是为了在前翼为了保持自身控制舵力时，仍然能稳定高效的产生涡升力，最初的担心是前翼下洗对边条涡产生有一定影响，后来发现，鸭式布局本身在小迎角时，近耦现象是增升的主体，有没有边条没什么明显的变化，边条涡产生以后，前翼下洗一样能实现推迟涡的破裂，可以提高边条翼的工作迎角上限，同时还保持前翼的舵力不发生明显变化，当极限升力需求时，前翼涡，下洗，边条涡复合在一起，会形成一个更大，更强的涡，边条涡相当于给整个大涡补充能量的，能维持更晚的破裂角度。总体上看，20的前翼，边条翼的布局，是为了提高在一定迎角范围的可操作性和高升力特征，同时为了获得良好的超音速升阻比和低的零升阻力。目前20有些试飞的照片可以供研究，有张大坡度转弯的能够清晰的表现上面描述的一切，飞机盘旋时，应该处于较大的迎角，这个迎角范围在10－20度之间，飞机轻载，V尾无明显偏转，襟翼无明显偏转，前翼下偏较大角度，前襟下偏，从这个照片可以看出，J20在这种情况下，飞机有较强的抬头趋势，需要前翼大角度下偏来配平，在前翼负偏角的情况下，飞机的大边条产生了明显的强烈的涡从机翼上流过，而边条前也有较明显的涡从前机身流过，增升的效果也比较明显。从这个照片也可以看出来，目前20的配平中，襟翼的权限还较小，可能是机动过载不够大，襟翼下偏可以提供较大的低头力矩，同时产生更强的升力，襟翼和前翼的综合动作可以使机动的过程中阻力最优化，显然，最优化的道路20还要走相当长一段时间，考虑到J10的飞控在研制中稳定的表现，能慢慢放宽这个控制部分的综合优化，也是一种不错的发展策略，稳健好过冒险激进。


        如何评价J20和F22的比较，个人认为，20的气动升力效率会比22稍高一点，这是基于发动机推力不如22,空重更大，但机翼面积更小的理由推导，如果有人能证明20的机翼面积大于22,则又有另外一番计较，不过20在气动布局的紧凑性和对隐身的影响方面，还是明显落后于22.

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现在有两种极端的论调，一种因为我国出现鸭式布局战斗机J10，20的，极力鼓吹鸭式无敌论调，一种则以美国某种论调“鸭式最好装在敌人的飞机上”为主，极力贬低鸭式布局。

        毫不客气地说，这两种论调都是不科学，都是故弄玄虚的。首先，我们要搞清楚现代鸭式布局是怎么来的，和为什么发展的。现代鸭式布局的发展来源于瑞典科学家Behrbohm1966年发现的近矩耦合现象，这种现象在70年代初期和中期引起主要空气动力学研究国家的兴趣，AIAA，NASA，俄罗斯中央流体，欧洲的一些空气动力中心等等对此现象都进行了一系列研究。
        近距耦合现象首先是针对无尾三角翼的一种发展，它的构型，控制都是以无尾三角翼为基础的，因此在一系列带有误导性针对鸭式布局配平能力的质疑，都有意识的绕开这个配平基础，企图单独谈论前翼的配平能力，从而实现以点破面的目的，OK，作为辩论技巧，这个无可厚非，但作为专业人员向普通公众科普，那就是妖言惑众了，或者说，他自己也对近距耦合不懂装懂。我们知道，法国达索设计了一系列性能不错的无尾三角翼战斗机，这些飞机并不逊色于同代的战斗机，在近代空气动力学上，无尾三角翼的布局对比常规布局，除了超音速阻力较小，没有任何的配平和控制方面的优势，即便如此，仍然诞生了象幻影2000这样优秀的战斗机，西方三代机唯一的交手记录是无尾三角翼的幻影2000击落正常布局的F16,这又如何？难道战果能证明无尾三角翼比常规布局优异？


        学习设计的人，都应该知道实现一个目的，本身有很多手段和渠道，比如M2K和F16都是非常优秀的战斗机，不能因为F16是常规布局，那么常规布局的那些在大迎角中的研究和数据表格是不是证明F16大迎角性能一定好过M2K呢？事实上很残酷的结果是F16允许使用的迎角范围比M2K还要小，而这两种飞机在迎角限制外也都没有什么特殊的大迎角性能和表现。


        对于鸭式布局，美国AIAA可能是公布研究报告最多的国家，这并不意味着美国是最能掌握这个布局的国家，70年代AIAA很多研究本身都是有一定目的的，比如垂直起降，比如短距起降，比如大迎角，超音速巡航等等，诸多构型中，很多时候鸭式布局都表现出非常良好的性能，大多数时候，在目的范围内都表现出比常规布局优异的性能，这也是为什么在80年代初ATF招标以后大多数观察家都认为将以鸭式布局的飞机为主。值得注意的是，美国AIAA从70年代中期开始展开先进控制的研究，ATF的成果恰好是先进控制研究的成果体现，而在先进控制的研究中，鸭式布局的课题在80年代才开始，到ATF设计成型以后，都还没有结束，所以，某种论调说美国在第四代战斗机中未采用鸭式布局，是因为还没掌握这一布局的说法，也是有一定道理的。


        我们来看看近距耦合的鸭式布局，这种布局是一种很复杂化的空气动力学现象，首先要辟除一个传统科普中流行的误区，近距耦合本身就是一种气动现象，它是前翼和机翼上洗和下洗的综合作用产生的一个增升的现象，简单的说，机翼产生升力的原理是机翼上下表面的气流流速差产生了压力差，而近耦现象则是人为的用能量较弱（即较慢的气流）增大机翼上下表面差，形成增升的现象。所以，近距耦合的下洗属于有利下洗，很多人一直非常蛋疼的担心这个下洗，其实没有必要，如果没有了它，就没有近距耦合现象了。而涡升力又是怎么一回事呢？机翼上下表面气流正常情况应该是稳定的层流，机翼靠增加上表面气流的行程来实现上下流速差，从而产生压力差获得升力，而在上表面增加一个涡流，把气流卷动转几个圈，实际上是大幅度增加了机翼上表面的气流行程，产生了更大的落差，形成了增升的现象。边条翼就是利用涡升力的典型代表。鸭式布局之所以复杂，就出现在它不是一个单一气动现象的载体，前翼既产生近距耦合现象影响机翼的升力，又自身形成升力影响飞机的总升力和控制力距，还在超过一定迎角以后产生涡流，形成涡升力，我们可以看到，近距耦合现象和涡升力现象实际上是机翼在发挥主要作用，都是增升现象叠加在机翼上产生的效果，因此鸭式布局主要控制手段还是和无尾三角翼一样依靠后襟翼，但是前翼也会产生升力，也能产生一定的控制力矩。


        由此，我们可以看到，鸭式飞机实际上设计是比常规布局困难很多，它要面对前翼角度变化形成控制力矩，涡升力增量的以及前翼本身升力非线性和涡升力非线性的综合结果。但是，如同70年代初期大家看到的那样，近距耦合的鸭式布局，天生在升力方面有优势，特别是在低速状态，它能产生很好的短距起降能力，瑞典的JS－37雷式战斗机，就是纯粹只利用近距耦合现象设计的飞机，前翼不可偏转，基本不产生控制力，前翼上的舵面偏转只是为了保证气动中心不发生大的变化，飞行迎角限制在还不能产生涡流的角度。雷式飞机短距起降能力在2代机里独树一帜，稳定盘旋能力也比纯无尾三角翼设计的幻影3式飞机优越。


        西方第三代战斗机前期主要依靠高参数，如大推重比低翼载，代表是F15和M2000,后期靠较先进的控制技术利用涡升力代表是F16,F18。可以说，这两种技术途径构成的飞机都足够的强，F15是西方空战性能最强的第三代战斗机，它没有多么先进的气动布局，所以用高推重比，低翼载，而M2K则是瞬时盘旋天下无敌，为了实现这个目的，幻影2000的作战翼载才227KG／M^2，而利用涡升力的 F16这个数据则在 330－350左右，显然，除了性能取舍以外，技术条件导致两者选择的差异，法国没有美国那么强大的发动机，M2K如果选择和F16那样类似的气动布局，不仅仅不能实现高机动，超音速，航程，载弹量等等问题都无法实现，事实上的例子证明了气动布局只有合适的，没有最好的。而鸭式布局正是人们对常规布局的诸多缺陷和限制产生不满以后刻意追求的。


        我们来看看三代机边条翼技术的情况，边条翼技术是西方60年代研究双三角翼的进化产物，是屈西曼涡升力理论的事实利用，双三角翼在较大的迎角时，在内外侧机翼拐角处产生一个分离的涡，在60年代，人们对这个涡认识不足，觉得它是一个有害的东西，它会引起升力斜率异常，这里的异常主要指非线性增加，同时，它会一定程度改变机翼的升力中心的位置，干扰飞机的控制，因此，这一时期出现的双三角翼飞机都在拐角处用隔板或翼刀或前缘锯齿，把这个现象削弱，或者干脆限制可用迎角，不让分离现象发生，这一代的代表作是苏－15和SAAB 35。随后空气动力学家门研究如何移动双三角翼的折角点让涡出现的现象从不利变为有利，毕竟双三角翼是一个兼顾超音速和亚音速性能不错的方向，这个研究延伸出早期的边条翼，F16,F18，mig29,su27都属于早期的边条翼设计，这一代所利用技术主要还是着眼于提高飞机升力斜率，提高飞机在可用迎角内的升力系数，任何可用迎角以外的性能，都不是设计前刻意追求的，大多都是巧合。第一代的边条翼飞机投入使用以后，获得巨大的成功，它能显著提高飞机实现高升力构型的可能，比如F15和 F16在相似的性能曲线时，F16的推重比小8％以上，机翼载荷高20％以上，推重比小以为着对发动机要求较低，或同样发动机可以获得更高的性能，而机翼载荷增大则意味着可以使用更小的机翼面积，能够减轻重量，减小体积。


        更新一代的飞机技术实际上是在上个世纪70年代末就产生和积累的，如果不考虑隐身这个划时代的东西，仅空气动力学上的进展，欧洲的鸭子复兴明显更让人感兴趣，鸭子让人感兴趣的主要原因还是来源于涡升力的利用，常规布局使用边条翼，在迎角超过可用限制迎角后，会产生不可抑制的上升趋势，这是因为出现涡破裂以后，机翼失速升力下降，但前部的边条翼和机身机翼的一部分还有较高的升力，这导致巨大的抬头力矩，几乎所有的第一代边条翼整场布局的飞机都有过仰的问题，最著名的就是苏－27的普加乔夫眼镜蛇，这个动作就是一个不可遏制的快速上仰过极限到自然恢复的一个过程，米格29也能做这样的动作，只是成功率较低，不同飞机的过仰角度都不同，比如苏27单座可以达到110度，但双座就只能90度，米格29就只能90度，据说美系的F-16和18也有类似的过仰动作。过仰不是大迎角飞行能力，他们不能实现超过迎角的26度到停下来的110度间任何一个角度的控制，这是很危险和无法利用的。因此，才有人对鸭式布局感兴趣，鸭式布局在涡升力的利用上，和常规飞机完全相反，边条翼飞机的涡产生和飞机的迎角是固化关系，在10度以内，边条翼基本不产生涡或者很微小，几乎没有影响，而鸭式布局，由于前翼可动，它可以在机翼处于不同迎角下就可以提供可以控制强弱的涡，这个可控制的涡，可以用于增加飞机的过载，也可以用于改变飞机状态，既既可以增强机动性又可以增加控制力，由于前翼的偏转的升力增加和涡升力的增加，以及控制的力矢量方向一致，鸭式布局对飞机大迎角飞行和控制能力是明显超过常规的边条翼布局的，和常规布局的过仰不同，鸭式飞机对大迎角状态有天生的自然恢复能力，这个能力随后在X31和X29的试飞中得到证实，X31可以不凭借推力矢量自由地进入45度以下的任何一个角度，可以稳定飞行和从中退出，而此前的F／A－18实验机必须使用机头的特殊辅助设备才能保证比较稳定的迎角飞行，但退出都还有不少限制，而X29有更特殊的更稳定的机翼，可以在无推力矢量控制的帮助下可控进入和退出70度以下任意迎角。


        关于X31和F18的模拟空战，这是基于美国海空军希望了解推力矢量对近矩空战影响的一个研究，和飞机的布局是没有关系的，X31设计时没有考虑过过多的机动性，甚至于不是超音速飞机，它的设计点仅为0.9马赫，只是飞机实际上阻力较小，可以飞到1.28马赫，另外飞机推重比也较低，虽然404发动机有7.2吨最大推力，但是由于三瓣式尾喷管的原因，实际推力损失在6－12％之间，X31的空战推重比勉强达到1,比F18低10％以上。因此，NASA的判定是F18一方原本是具有优势的，试验结果也表明这个最初的设想，X31不使用TVC时，胜率非常低，这符合两者性能差异，F18的飞行员反应，飞机根本不需要和X31纠缠，俯冲加速摆脱很有效，X31的跨音速加速性能非常差，另外机炮战的设定，让飞行员可以大摇大摆的在X31前方从容加速等待两者间距慢慢拉开。一旦X31使用推力矢量，胜率就出现逆转，F18首先是很难锁定对手，X31的滚转非常有效，在号称三代机中减速最快，滚转性能最好的F18面前， X31可以很轻松脱离开瞄准线迫使敌机冲前，并且X31在盘旋中切内角切尾后的能力大增。由于X31除TVC外已知性能均远落后于任何一种现役鸭式布局战斗机，且当年机炮战的设定限制，用X31的胜率来说明鸭式飞机的性能不如正常布局，是毫无道理的，倒是法国海军每年和美国海军联合训练中，阵风飞机在空战中的表现和双方的评价，可能更有说服意义，恰好阵风M的推力和重量与F／A－18C基本相当，这里不再累诉，结论方面是阵风具有优势，最近几年还有和超级虫之间的空战模拟，也有不少评价，有兴趣可以去搜搜看。


        再来说说第一代鸭式战斗机的表现把，第一代发展成功的鸭式战斗机只有阵风，台风，棍子，鹰狮这四种，从设计来说，各有侧重，但都属于近距耦合鸭式布局，总体取值上鹰狮和棍子相似，其他两种则各自走一条路。第一代鸭式布局的飞机，和第一代边条翼飞机一样，都没有特别强调大迎角迎角限制也没有比边条翼飞机高多少，他们还是强调在可用范围内的高升力。这些鸭子的设计中，台风是技术取值最保守的，它在这几个型号飞机中，主要只利用近耦现象，不太利用涡升力，而且特别看重前翼的舵效，它拉开前翼和机翼的距离，减小上洗的强度，主要是换取长的舵力矩和较低的跨超音速阻力。由于增升效果不是特别理想，台风机翼载荷取值要比其他型号小不少，这才能满足机动性的要求；阵风是完全从无尾三角翼发展而来，它是把近耦现象和涡升力以及舵的效用利用最综合的一家，但是基于控制的复杂性以及阻力等因素的考虑，阵风的前翼面积和机翼面积之比最小，也就是说，尽管高效，实际在增升和控制方面的效能也还是差不太多，只是取得了一个超级紧凑的机身布局；棍子和鹰狮则是类似的思路，这两个国家没有吧飞机当作第三代的接班人或者压制者，而是把飞机按第三代战斗机的要求合标准研发的，因此特别重视近距耦合效应，前翼的舵面效能其次，涡升力最后，因此，两者的前翼距离机翼的距离几乎在最佳近耦效应区，前翼面积和翼展较大，可以产生很强的综合效应，但同时，这两种飞机都不允许前翼在飞行中大的正偏角，进入强涡流发生状态，减小控制的压力。因此这些飞机实际上一样没有很强的大迎角飞行能力，这是原来设计没有要求，他们的试飞飞机却能表现出一些以前的预期，比如鹰狮的迎角最大飞过160度，这也是一种过仰，只是一种极限的展示，鹰狮的试飞表明飞机有在55度以下迎角飞行可控的能力。


        敏捷性的问题，它出现在80年代中后期，实际上已经不在第一代边条翼飞机和鸭式飞机的气动技术准备里面了，敏捷性甚至于都不在美国第四代战斗机的气动技术准备之中了，只是后来的成果直接影响了最后的设计与中标。对敏捷性的定义，认识，和作战实际效能，在美国和其他国家都曾经广泛争议，最后，大家同意并约定，敏捷性指飞机改变运动指向的能力，简单地说，就是快速改变飞机的飞行姿态和运动轨迹，这种轨迹和传统拐弯不同，它不仅仅是发生在水平面的，敏捷性具体的飞机动作就是带迎角滚转。敏捷性的出现代表空战理论的第二次科学进步，能量空战的出现，人类第一次可以用数学公式和量值图表来反应空战战术和飞机性能，能量空战基于机炮战的研究基础，它指导了第三代战斗机的设计革命，并成为战斗机设计的理论基础之一，但是能量空战可以描述线性的运动空战，它不能描述因大离轴全向攻击导弹出现以后的非线性问题，即角度空战的问题，现在敏捷性的出现，角度空战也有了可以预测，可以设计和控制的理论基础。美国的第四代战斗机的设计中，原来是没有敏捷性的概念的，4S中的超级机动性的描述在发标时是没有明确的指标的，而随着敏捷性的研究，ATF招标中对超机动的要求逐渐转化成对敏捷性的要求。第一个按照能量和敏捷性设计的飞机是超级虫，超级虫没有特别强调飞机要有9G的极限过载能力，它的很多飞行指标数值都不太突出，但是，在实际空战中，超级大黄蜂是种可怕的飞机，它能非常快速的改变飞机的运动轨迹和机头长期指向某个方向，飞机的状态变化剧烈，配合最新的AIM-9X和头盔瞄准显示器，超级虫可以干净利落的面对所有美国第三代战斗机取得胜果。


        敏捷性对鸭式飞机来说是个福音，在空气动力学界有个流行的看法，鸭式布局都是敏捷的，近距耦合的鸭式布局本身滚转性能就非常高，这是因为其机翼的转动惯量小的原因，而敏捷的带迎角滚转则由于近距耦合布局的机翼真实迎角小，飞机在同样机头指向角时的滚转实际机翼迎角比常规布局小，这意味着更小的阻力和更高的能量蓄存能力，或者更大的机头指向角度能力，此外鸭式飞机天生的上仰速度快反馈快的优势也恰好符合敏捷性对速率的要求，再加上如果前翼差动，会比常规布局的平尾差动产生成倍的滚转力。目前的4种鸭式飞机在控制系统许可的30度迎角以内的滚转速率，基本都优于第三代战斗机。


        最后的话题留给有争议的部分，F22 VS J20。

        老实说，从气动上比较两者的优劣是个愚蠢的问题，因为我们缺乏很多准确的数据，仅仅从外形和一些风洞资料来看，顶多了解两者间的特性差异。对于F22来说，它出现比较早，各国有很多研究文献出现，甚至包括美国自己也公布了很多关于22的技术文档，而J20则不同，公开可看的论文非常稀少。有些大概的问题，我们可以明确，比如两者推力范围，基本都在150KN级，飞机的大小也比较类似，J20稍微长一点，机翼面积F22有78平米，而J20的数据是根据照片估测的，有一定误差，目前看来略小于22的数值，考虑到实际的发动机技术，J20的动力系统和机体空重应该比22重一些，差别比例个人认为参照M2K－5和F16C的重量差比例，应该较为可信.照理说F22出现到现在已经有20多年了，外界应该对其气动认识较为深刻了，但是，就目前主流的评价而言，认识是差距很大的，不知道是某些科研流于表面，还是用过于传统的小学生思维去思考大学课题，F22已经是很明显的现金控制的产物了，空气动力研究中还在用传统的翼－身翼的气动方法研究，至于那个55度时还有上仰趋势之类的说法，请搞清楚前因后果，一架飞机，不管怎么设计总是以平飞为主的，在平飞时的配平，即便不是最小阻力状态，也要接近最小阻力状态，上仰趋势是不错，有多大？能够产生支持持续上仰的力矩么？如果是，那么目前流传那些照片无疑是没办法说明这各趋势的，因为我们会看到F22在55度以下迎角平尾和襟翼总是上偏，不会出现下偏，而平飞时，要遏制这个上仰趋势，平尾必须上偏较大角度平衡飞机姿态，现实是很无情的，任何不懂装懂和故弄玄虚都是会被现实所打脸。F22这样的飞机抛弃其各舵面在控制下的分别状态和作用来单纯研究和分析，那是很愚蠢的，此外，F22的设计取值非常微妙，布局选择和设计，各翼面位置都很精巧，有特殊的用意和目的，因此，某国在风洞试验中常常获得一些不确定的成果，比如最大升力系数，从1.6～1.8都有吹过，但是又不敢相信美国四代机仅仅达到这个水平，后来背景研究参照时，又提出2.0这么一个没有试验支持的数据，这其实说明某国的空气动力研究能力还是有很大差距的，至今某些专家也还没能读懂和掌握切入机翼的平尾设计的优缺点和用意，那很多的关于22气动报告，有多大实际意义，还真不好说。


        正式聊20之前说说先进控制对空气动力学的意义，我们传统设计飞机，一个运动方向的改变，都专门设计了一个舵面控制，比如方向，有方向舵，俯仰有平尾，横向转动，有副翼，起飞降落或大过载机动需要增加升力，有襟翼，几乎每个舵面都专门设计，各司其职。但是，这只是我们在技术限制的条件下的人为的区分，飞机的控制，并不仅仅只有我们设计的这个舵面才有这样的能力，比如转弯，不用方向舵，可以用副翼加平尾也能实现，俯仰通过襟翼也能实现，所谓先进控制，就是指利用计算机主动控制技术，综合利用舵面的动作实现一个操作。很显然，这种综合控制可以极大的扩展飞机的控制能力，并且可以让飞机的气动部件能处于最佳的工作状态，或者能由原来低效部件转化为高效部件，比如平尾，常规布局中，平尾是升力的破划者，因为它的操作力方向和运动方向是相反的，你要上仰它必须产生向下得力，这不仅不产生升力，还抵消了一部分机翼的升力，在先进控制中，你可让襟翼和平尾综合动作产生上仰动作，而另这两者都同时产生对升力的贡献，从而极大的提高飞机的气动水平和能力。先进控制是建立在电传控制系统的基础上的，只有电传控制系统才能让操作动作和舵面动作脱离开，而计算机按最优化方式控制，第一种综合舵面控制是F16的襟副翼，它把襟翼和副翼融合到一起，舵面效果比单独的襟翼和副翼都强，采用它的F16,苏27机动性都非常好。三代机还算不上先进控制，只是开始使用和普及电传控制系统而已，使用先进控制系统以后的飞机分析空气动力学方面的问题，不能再单独说机翼如何，尾如何，必须放到一起综合考虑，特别是必须在有配平的情况下考虑。


        好了，开始吹J20，目前大家对20的气动布局的一些了解，大概都是从宋文骢早年的一篇前瞻性文章中靠对号入座了解到的，应该说，那篇文章本身只是一个概念性的科普文章，把鸭式布局的进一步发展做了一个探讨。宋的文章本身还没有提及多少先进控制的事情，只是对鸭式布局添加进边条的影响做了一些探讨。前面我们说过近距耦合的鸭子本身的增升有三种效应，本身升力，下洗，涡，前翼涡一般出现在10度以后，大约15度以后变得明显，但是前翼涡的出现和前翼自身的升力变化有点非线性，所以棍子的前翼上偏被限制到涡生成较少的区域，一旦前翼产生强烈的涡，前翼自身的配平力就比较弱了，需要襟翼更强力的控制俯仰，为了增大鸭式布局的升力效率，台风在机翼和前翼之间增加了一个侧板，阵风则是有个比较小而隐蔽的边条，20比较大胆，它干脆在机翼前面直接象三代机那样放了个尖拱边条，这样一来，机翼和前翼的距离就被拉开了，近距耦合效应有所降低，同时，阻力因素也在降低，但近距耦合现象依然存在，在前翼和机翼间放进边条，是为了在前翼为了保持自身控制舵力时，仍然能稳定高效的产生涡升力，最初的担心是前翼下洗对边条涡产生有一定影响，后来发现，鸭式布局本身在小迎角时，近耦现象是增升的主体，有没有边条没什么明显的变化，边条涡产生以后，前翼下洗一样能实现推迟涡的破裂，可以提高边条翼的工作迎角上限，同时还保持前翼的舵力不发生明显变化，当极限升力需求时，前翼涡，下洗，边条涡复合在一起，会形成一个更大，更强的涡，边条涡相当于给整个大涡补充能量的，能维持更晚的破裂角度。总体上看，20的前翼，边条翼的布局，是为了提高在一定迎角范围的可操作性和高升力特征，同时为了获得良好的超音速升阻比和低的零升阻力。目前20有些试飞的照片可以供研究，有张大坡度转弯的能够清晰的表现上面描述的一切，飞机盘旋时，应该处于较大的迎角，这个迎角范围在10－20度之间，飞机轻载，V尾无明显偏转，襟翼无明显偏转，前翼下偏较大角度，前襟下偏，从这个照片可以看出，J20在这种情况下，飞机有较强的抬头趋势，需要前翼大角度下偏来配平，在前翼负偏角的情况下，飞机的大边条产生了明显的强烈的涡从机翼上流过，而边条前也有较明显的涡从前机身流过，增升的效果也比较明显。从这个照片也可以看出来，目前20的配平中，襟翼的权限还较小，可能是机动过载不够大，襟翼下偏可以提供较大的低头力矩，同时产生更强的升力，襟翼和前翼的综合动作可以使机动的过程中阻力最优化，显然，最优化的道路20还要走相当长一段时间，考虑到J10的飞控在研制中稳定的表现，能慢慢放宽这个控制部分的综合优化，也是一种不错的发展策略，稳健好过冒险激进。


        如何评价J20和F22的比较，个人认为，20的气动升力效率会比22稍高一点，这是基于发动机推力不如22,空重更大，但机翼面积更小的理由推导，如果有人能证明20的机翼面积大于22,则又有另外一番计较，不过20在气动布局的紧凑性和对隐身的影响方面，还是明显落后于22.