战机“隐性”翅膀那些事儿

——浅谈世界主流战机气动布局流行款式及发展趋势

2020年08月07日09:24  来源:解放军报
 
原标题:战机“隐性”翅膀那些事儿

苏-57战机 资料图片

2020年7月15日,国家澳门明升体育娱乐网站|新闻热点局官方公布了第二十一届中国专利奖评审结果,中国航空工业集团公司成都飞机设计研究所的“升力体边条翼鸭式布局飞机”外观设计专利荣获金奖。由此,升力体、边条翼、鸭式布局这些助飞战机的“隐性”翅膀,再次成为航空爱好者关注的热点。本期《兵器大观》特别邀请有关专家为您解读相关内容。

战机气动布局的“三大宝”

除少数垂直起降战机在起降阶段靠改变气流方向来产生升力外,大多数飞机都是靠运动过程中机翼产生升力来克服重力的。

机翼升力产生的原因比较复杂,相关澳门明升Ms88|官网开户也较多,很少有哪种澳门明升Ms88|官网开户能够完全解开升力产生的全部秘密。但有一点可以确定,飞机升力主要来源于机翼上下表面气流的速度差导致的气压差,升力的大小与气流运动的速度、空气的密度、机翼的面积和机翼角度有关。

当然,飞机飞行时也会遇到各种阻力,如摩擦阻力、压差阻力、诱导阻力、干扰阻力和波阻力等。不断优化气动布局,其作用就是增加升力、推力和安全性,减少各种阻力。

气动布局是决定战斗机机动性的重要因素之一。升力体、边条翼、鸭式布局与机翼相比不够“显眼”,属于战机“隐性”的翅膀。从作用上讲,它们算得上是现役主流战机气动布局的“三大宝”,在世界各主流战机上发挥着重要作用。

升力体布局。相对于传统飞行器的机翼设计,升力体是一种完全不同的概念,它采用三维设计的翼身融合体来产生升力。这种设计可在较低速度下获得较大的升力。

自从1957年艾格尔斯和阿伦两位科学家偶然发现这种设计的优势后,美国和苏联就开始了相关研究。美国的航天运载飞行器“冒险星”的1/2比例原型机X-33、太空救生船原型机X-38均采用了升力体构型。

采用升力体设计的三代飞机有苏-27、米格-29等;四代机中有F-22、F-35、苏-57等,其中苏-57的升力体设计特征更加明显,机身宽大,升力更强,阻力更小。

边条翼布局。作为50年代中期出现的设计,边条翼是在常规后掠翼或三角翼布局基础上,在机翼前缘翼根部延伸出的一对贴近机身的狭长、尖前缘、大后掠细长翼片。通常边条翼都设计成与机身和主翼完全融合的形式,形成复合机翼,可改善战机的机动性、过失速特性,特别是能有效提升飞机升力。它通常分为机翼边条和机身边条。

鸭翼布局。又称前置翼或前翼。早在1903年,莱特兄弟的飞行器就使用了前翼配置。这种配置的特点是将水平稳定面放在主翼前面。

采用鸭翼的飞机布局称为鸭式布局,代表机型包括俄罗斯的部分苏-35、苏-34、苏-30MKI,欧洲的“台风”“阵风”和“鹰狮”战斗机等。

有的战斗机鸭翼不能操纵,有的则可操纵。鸭翼可操纵的如欧洲的“台风”“阵风”和“鹰狮”等,这类鸭翼除了可产生涡流升力外,还用于改善跨声速过程中安定性骤降的问题。降落时,可操纵鸭翼偏转角度,起到减速板的作用。

根据安装位置,鸭翼可分为上、中、下三种配置,综合考虑升力和失速迎角效果等因素,鸭翼布局的飞机常采用上鸭翼和中鸭翼。

组合不是简单问题,关乎创新与实力

不同的气动布局在不同的飞行状态下各有所长。作战需求不同,战机对气动布局“三大宝”的选择及组合方式也不同。

边条翼和升力体组合。对战斗机来说,采用边条翼能改善飞行性能,克服常规后掠翼、变后掠翼飞机在低速特性、波阻、飞行稳定性等方面的不足。采用升力体则可增加战机内部有效空间,降低飞行阻力,提高高速飞行能力。因此,F-22、F-35、苏-57、苏-27和米格-29等都采用了边条翼和升力体相结合的布局。

第一种成功采用边条翼并结合主动控制技术的是F-16战斗机,但将边条翼和升力体结合得较好的是F-22。它的边条翼从机头顶点延伸到翼根,与机身和进气道融为一体,共同形成一个升力体,在产生更大升力的同时,也增加了飞行稳定性。

鸭翼与边条翼组合。现代飞行器为提升升力系数,不少选择了鸭翼和边条翼共存的布局。比如,俄罗斯的部分苏-35、苏-34、苏-30MKI,欧洲的“台风”“阵风”和“鹰狮”等都是如此。

这种气动布局的战机拥有更好升力和敏捷性。鸭翼尺寸一般比较大且与机翼分开,在一定条件下产生的附加升力比细长形的边条翼大。边条翼在某些情况下,又能比鸭翼产生更大升力。两者的组合相得益彰。除了增加升力,鸭翼还有利于保持飞机的飞行稳定性和可控性。

美国和俄罗斯第四代战斗机采用的是常规气动布局,未采用鸭式气动布局。原因很多,其中之一就是采用鸭式布局时,飞控处理较为困难,而且会给战机隐身设计带来更大难度,所以他们回避了这一布局设计。

升力体边条翼鸭式布局组合。飞机的气动布局设计,不仅要考虑到飞机机动性,还要考虑稳定性、操纵性、强度、刚度等一系列问题。特别是现代飞机追求高机动和高速度,对气动布局的要求更加苛刻。

全球同时采用鸭翼、边条翼和升力体气动布局的战机很少,一个最主要的原因就是如此组合设计难度很大。但是,中国航空工业集团公司成都飞机设计研究所显然成功攻克了一系列相关难题,这也是其设计获奖的原因。

采用鸭翼和边条翼设计,就必须面对鸭翼、边条翼和主翼的工作匹配问题。这两者如果与升力体设计同时采用,则要面对的问题会更多,其大小、形状、位置等参数都需要通过精确计算和大量风洞试验才能获得,如此,组合才能达到最优。而且,在增效的同时如何减重,怎样在重量和飞行效能中间取得平衡,也是设计人员必须面对的问题。这些,都会使相关设计难度大增。

这种组合,不是简单的搭配,而是无数次测试与风洞试验的结果,关乎创新与实力。

“三大宝”,未来能否随着战斗机一起飞

未来战斗机的发展,重点是提高全高度、全天候、全方位空战能力。一些专家将其主要特征概括为“六超”,即:超扁平外形、超声速巡航、超常规机动、超远程打击、超维度物联、超域界控制。

综合各国对下一代战斗机的预期和理解,推测下一代战斗机有可能配备人工智能和量子雷达,具备在无人参与的情况下遂行战斗任务的能力,能够达到高超声速,出入近太空,并可使用新物理原理武器等。因此,有人/无人控制系统、提高隐身性、改进飞行性能和通信系统是下一代战斗机的关键标准。其中,有人/无人控制系统、隐身性、高超声速飞行性能等,都将基于飞机气动布局的全面创新。这就决定了气动布局设计仍将是新形势下的“老命题”。

升力体布局是未来战斗机的流行模式。未来战机被期待具有大挂载量,这就需要采用翼身融合的升力体布局,来实现机翼加大载油量和机身增加升力。鉴于探测技术突飞猛进,为提高在战场的生存力,未来战斗机必将采用更强悍的隐身设计,其中飞机布局上极有可能采用超声速无尾三角翼升力体设计,彻底取消平尾和垂尾。全翼身融合和大升阻比的升力体设计,可以使战机获得更高的机动性和隐身能力。

边条翼布局或将是未来战斗机的标配。采用中等后掠翼加大边条翼是第三代高机动性战斗机的典型设计。第四代战机如F-22采用了特殊的边条翼布局,F-35、苏-57等也采用了特殊的边条翼设计,因而具有优良的飞行品质。未来战斗机一般是现有战斗机技术的延伸,因此,边条翼布局仍将是未来战斗机不可或缺的设计,只是其设计将更加超前与合理。

未来战斗机也可能采用鸭式布局。鸭式布局的战斗机,基本上可以排除失速的可能性,即飞机不会进入“螺旋”。为避免传统鸭式布局的不足,未来战斗机有可能设计成升力体鸭式布局,即让升力体机身起到鸭翼的功能,以便战斗机高速飞行和机动。这一布局可能成为未来飞行器的基础。

乘波体布局可能应用于未来战斗机。乘波体的概念如今已在一些高超声速导弹上有所体现。下一代战机具有无人驾驶、速度快、高度高、巡航距离远、突防能力强等特点,很可能采用一种高升阻比和强机动性的气动外形。适合高超声速飞行器的外形有升力体、翼身融合体、轴对称旋成体、乘波体等。因此,乘波体构型也可能是未来战斗机发展的趋势之一。

(编者注:为表述统一,本文战机划代均按我国军方划代标准。)

(仪艳磊 蒋天合 张光山 作者单位:空军研究院、南昌航空大学)

(责编:陈羽、杨光宇)