[科普中国]-鸭翼布局缘何深受现代战斗机的青睐？

【现代军用飞机的“新设计”】

编者按：

纵观历史，战争是人类科技进步的重要推动力，这一点在航空工业的发展上体现尤为明显。从两次世界大战至今，各国迫于军事的压力，不断对军用飞机提出更高的要求。在高速迭代中，产生了许多“新设计”。即日起，《科普中国-军事科技前沿》推出系列作品，立足当下，展望未来，和大家一起聊聊未来军用飞机可能出现的“新设计”，欢迎关注。

出品：科普中国

作者：李小白（中国航空学会会员）

策划：毕孝斌

监制：光明网科普事业部

传统的常规布局飞机由主翼、水平尾翼、垂直尾翼控制完成一系列飞行姿态，其中水平尾翼位于主翼的后方，用于提供飞机的水平稳定，并控制飞机的仰俯动作。然而，世界上首架飞机——莱特兄弟发明的“飞行者”号飞机则采用了仰俯控制面前置的布局，这种气动布局被叫做鸭翼布局，位于主翼前的仰俯控制面被称为鸭翼。尤其是在电传操控系统出现后，鸭翼布局开始在越来越多的新型战斗机上普及使用，成为现代战斗机最青睐的气动布局之一。

歼-20是当今世界最先进的鸭翼布局式战斗机

高于常规布局的气动效率

常规布局飞机通过负升力配平飞机，控制飞机的仰俯。例如在飞机进行上仰爬升时，常规布局飞机的水平尾翼产生负升力，将机头“压”起来，使飞机“抬头”。在这个过程，水平尾翼的负升力会引起飞机总升力的损失。相比之下，鸭翼产生的是正升力，可以增加飞机的总升力。因此，比起常规布局飞机，鸭翼布局飞机鸭翼和主翼的翼面积可以设计的稍小一些。飞机进行仰俯机动时，鸭翼仅需改变调整升力的大小便可形成仰俯力矩。同时，鸭翼位于飞机重心之前，一般情况下，鸭翼的力臂比水平尾翼的力臂更长，在配平飞机时产生的阻力也会更小。通过对比可以发现，鸭翼布局的升阻比更大，对飞机的操控效率也更高。

常规布局与鸭翼布局的升力原理

尽管鸭翼布局的优势十分明显，但鸭翼布局也有着天生不稳定性的特点，难以操作控制。现代战斗机具有强大的机动性与敏捷性，在飞行中会不断进行飞行姿态的变换，在飞行姿态变换过程中，鸭翼会对主翼气流环境产生持续不断的干扰，且这种干扰会随着飞行姿态的变换而变化，严重扰乱主翼的升力，甚至影响飞机的稳定性。而常规布局战机的尾翼却不会干扰主翼的气流环境，因此，长久以来，人们还是以常规布局作为飞机最主要的气动布局。

天生不稳定带来的设计难度

为了降低鸭翼对主翼的干扰，设计师通常会减小鸭翼的翼面积、调整鸭翼的位置，矛盾的是，这样的设计变通又无法避免鸭翼操控效率的降低。既然局部设计的可挖掘潜力有限，就只能从飞机的整体系统设计入手，以飞机整体飞行品质的提升来弥补鸭翼与主翼的不协调。

美国、苏联对鸭翼布局飞机均有过深入研究，图为前苏联米格-1.44技术验证机

首先，鸭翼与主翼的相对位置、鸭翼的翼面积、机翼的翼型等方面的设计必须慎之又慎。设计需要大量气动试验得出飞机在不同飞行状态下的飞行数据，根据设计取向优化调整飞机气动布局的细节。巧妙利用涡流增升，获得最合适的飞行品质。再者，使用灵敏的电传操控系统。主翼、垂尾、鸭翼的协调搭配使用能够发挥出飞机气动布局的最大效益，但鸭翼布局具有天生不稳定的特性，在不同仰角、不同空速下操控鸭翼布局飞机已经超出了人类的能力范围。直到电传操控系统的引入才逐渐解决这一问题，电传操控系统可以根据传感器传来的飞行数据操控飞机，持续调整操控飞机的舵面，使飞机达到动态稳定。

被越来越多战斗机使用

不论是精密的气动布局设计，还是电传操控系统的使用，都需要深厚的飞机研发实力，遍及气动理论、材料工艺、航空电子等各个方面。莱特兄弟发明飞机已经过去一百过年，但鸭翼布局飞机开始逐渐实用普及却在近几十年。早期的鸭翼布局飞机并没有完全发挥出鸭翼布局的优势，例如瑞典的萨伯-37“雷”式战斗机，萨伯-37的鸭翼是固定不可动的，但装有一对副翼，这种固定的鸭翼增加了飞机总升力，延缓了大迎角机动下的气流分离。

萨伯-37战斗机

鸭翼布局的进一步普及是在第三代战斗机，此时的鸭翼不再是固定式，而是作为飞机的控制面之一，与主翼连接在同一控制系统下，增强战机的机动性与敏捷性。其中较具代表性的有“欧洲三雄”战斗机(法国“阵风”、欧洲“台风”、瑞典JSA-39)与中国的歼-10战斗机，这些战机都采用鸭翼布局，但根据对高速、翻滚、盘旋以及低可探测等性能的追求不同，这些飞机的鸭翼布局细节设计其实也是不同的。

相比萨伯-37，JSA-39的鸭翼可以全动

鸭翼布局的灵活与高效完美迎合了战斗机的性能追求，这也注定越来越多的战斗机会采用鸭翼布局设计。目前，世界最先进的鸭翼布局战斗机是中国的歼-20隐身战斗机，也是目前唯一一款采用鸭翼布局的第五代战斗机。在一些有关未来第六代战斗机的概念图中，也可以见到鸭翼布局的设计，那将是鸭翼布局气动技术的又一次提升。

划重点：

1、常规布局飞机依靠水平尾翼产生的负升力控制飞机仰俯，鸭翼布局飞机则依靠鸭翼产生的正升力控制仰俯。

2、鸭翼布局的升力系数与操控效率较高，具有天生不稳定的特征，有助于提升飞机的机动性与敏捷性。

3、鸭翼对主翼气流环境干扰较大，所以鸭翼布局的设计十分复杂，这也是鸭翼布局在近几十年才逐渐普及的重要原因。鸭翼布局需要精密的气动设计，也要使用电传操控系统控制飞机。

4、使用鸭翼布局的现代战斗机越来越多，鸭翼布局技术也会随着战机的更新换代而提升。