这个问题简直就是一部二战后战机气动发展史,要是往详细了说能说上好几天,我还是尽量简短一些。

首先先上一张二战时期战斗机的图片:

你会发现二战时期的战机差不多都是这种平直翼加活塞螺旋桨的飞机。平直翼?螺旋桨的组合赋予了飞机很好的起降性能。

当时的设计师们发现不管怎么增加发动机马力,可是飞机的速度却很难上去。思来想去是发动机的问题,螺旋桨难以带来更快的速度,于是在二战末喷气式发动机出现了。

人们得到了能飞高速的发动机,自然也没有放弃追逐高速的脚步,这个时候用什么样的翼型成了困扰设计师最大的问题。

首先来看歼五,这种早期喷气战斗机,设计师们尝试增加后掠角来增加飞机的速度,的确飞机速度相对于二战螺旋桨是上去了,可是依然没有达到人们突破音速的追求。

于是设计师们开始思考,是不是后掠角还不够大?

于是后期的一代机就成了歼六这样大后掠角,可是后掠角加大带来反而是翼尖失速和起降性能差。(补充一下翼尖失速:战机正常工作需要气流像红色箭头那样划过机翼,后掠翼带来的问题就是气流沿著机翼往翼尖发散了,气流这样走就影响了战机的正常工作。)

人们不得不往机翼上加翼刀来抑制气流的展向流动,从而防止翼尖失速的产生。 (这些机翼上的小隔板就是翼刀)

设计师们就发现这样夸张的后掠角速度没上去多少显然这是一条邪路。单纯的后掠翼是战后飞机设计师探索喷气式飞机迈出的第一步,优点是相比平直翼,速度上去了,但也就是仅此而已。

既然一味的加大后掠角不行,那么怎样的机翼才能实现超音速呢?

要跨越音速就必须要直面音障,要尽可能地把机身收在机头引起的激波后面。于是设计师们提出: 机翼要坚固,要简洁——三角翼几乎完美地满足了设计师的需求,三角够坚固,把机身收在了机头激波的后面,最大程度上减少了超音速所带来的阻力,甚至还出现了达索那样把平尾都省了的无尾三角翼布局。

如果是没有收到机头造成的激波后面,则会有更多的点引发激波,带来更大阻力的同时也对战机结构带来了挑战。

机翼收到机头激波后面则就好得多

(以上两张图截自军武次位面第二期15集~我作图质量太渣,画了几次都不能用无奈只能去盗图了……)

三角翼也是人们探索战机超音速迈出的重要一步,人类成功跨过了音速,2倍音速,冲击了三倍音速但是速度快就意味著战斗力强吗? 当然不是,三角翼赋予了战机飞过音障的能力,翼尖失速的问题依然得靠翼刀解决。

这种人操火箭带来了高速,也带来了亚音速机动性的平庸和超长的起降距离,记录可以这么刷,但是空战可不是刷记录。

成功跨过了音障的设计师开始思考平直翼起降好但是飞不快,三角翼能飞快但是起降与低速性能不好,怎样才能设计一款低速起降好又能飞高速的飞机呢?——做一架变形金刚!

你看这小家伙,翅膀打开了是平直翼,收起来又像个三角翼能快能慢,就是重了点,上面这架米格23是手动档的,上个天还得不停换挡影响空战心情,还是美国人有黑科技,搞了自动挡的大猫,间隙还有气囊来完善各种后掠角下的气动外形。只是自动档就不能享受驾驶飞机的乐趣了……

变后掠翼解决了战机同时拥有高速和低速性能的问题,当然在战斗机上每一克重量都十分金贵,付出的代价就是结构重量。(但是变后掠翼解决了轰炸机航程与速度不可兼得的问题,当然这又是别的故事了)

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结构重量怎么能忍!翼刀、变后掠翼什么的都不能忍!——处女座的设计师

苏联人在米格23上惊奇的发现,米格23在飞行的时候,翼尖失速的现象并不是很明显。难道是共产主义信仰加成?当然不是,研究了半天原来是可变后掠翼与机身的连接处豁口在飞行时拉出的涡流,涡流在机翼上形成了类似于虚拟翼刀的作用。明白了真相的苏联设计师大惊:原来还可以这样玩!(Ps:美国人其实比苏联人早些就在气动实验室里搞清楚了这个问题)之后的战机发展就是涡流的世界了。

人们开始研究怎样才能在战机主翼上拉出涡流,并且更好地利用它。

Ps:评论区有大佬让补充一下涡升力的知识:

空气在接触物体突起边缘时容易形成涡流,大多数时候,涡流会影响控制翼面正常工作,所以大多数飞机平尾和主翼都是错开的不在一个平面上,这样主翼引起的涡流就不容易干扰平尾。

飞机能够飞起来,就包含了一个很经典的知识:中学时代物理课上,老师让我们在两张平行放置的白纸中间吹气使纸张中间的气流加速,这个时候两张纸就因为压力差的原因合上了。飞机也是如此,机翼上下方的气流流速不同,形成的升力将飞机抬了起来。

随著气动技术的发展,设计师们发现有的时候经过翼面上的涡流也会产生有利影响,当涡流从主翼上方经过时,形成低压区,加大了机翼上下方的压力差,达到了增大升力的效果。所以设计师们也就想到在主翼前方加一个后掠角极大的突起(边条)来拉出涡流。

于是出现了以F16,苏27这样的带有边条翼的战机,利用边条拉出的涡流赋予了这一批战机良好的起降能力和高亚音速能力,同时强大的发动机和后掠的机翼又保证了速度不慢,以前J8这样的高速三角翼飞机伴飞P3这样的低速螺旋桨飞机很容易出事故,换了苏27不仅能全程伴飞,心情不好了还能做个筒滚甚至能逼急了还能操控战机用尾翼切开你的发动机~

再往后边条鼓的就越发的明显了,像是FA18EF,枭龙那样的哥特式大边条:

可以明显的看出拉出来的涡。

~~~~~以上插播一些问题中没问的边条翼知识,不然总觉得接不到鸭翼上~~~~

战斗机气动外形发展到这个阶段,基本就已经没有啥大的问题了,人操火箭般的高速有了,高亚音速机动性已经可以跟上螺旋桨飞机了,结构重量也减下去了,还有啥?

设计师:我觉得还可以在平尾上做一些文章....

于是设计师们思考平尾放在后面是用来调整战机俯仰,我们把它放到主翼的前面,这样既不被主翼上的气流干扰,又能操控战机俯仰,并且能拉出涡流,还能在飞机降落的时候当减速板用,这样一举多得岂不美哉?

想法虽好,但是实施起来又是另一番景象,平尾的前置带来的升力中心前移使得飞机的安定性下降,往好了说就是更灵活了,操作杆动一动飞机能动三动,往坏了说就是这飞机像一匹烈马根本没法驾驭。

于是电传操控则成了鸭式布局飞机的必备,靠著无数风洞试验编写出的飞控软体再加上算力强大的计算机,帮助人来驾驭这个飞机。这时的人们发现,这匹驯服了的野马不仅听话,而且瞬时机动性能强大,能快速地将机头指向目标,瞄准开火先敌一步,即便主翼是三角翼也能做到短距起降,亚音速性能也是杠杠的,就是飞控难写了点.....

至此题主问的这些战斗机气动布局我大概说了一遍,再往后就是四代机的故事了。

战斗机的发展本质上就是提出问题,解决问题,然后提出新问题的过程。之前战斗机气动布局的发展大体上是线性的,设计师们攻克了一个又一个连续的技术难关,让战机性能提升。

这个时候的战斗机虽然还面临著一系列的问题(比如评论区有大佬提到的人操火箭的问题,还有超音速后只能三十秒真男人的问题),但是基本已经够用了,不然这一代飞机的气动也不会从七十年代一路用到现在。

要讨论第四代战机,我们就必须去看另外一颗科技树:

今天我们虽然嘴上说著把新一代以隐身外形为主打设计的战斗机划为第四代战斗机,但是单独把隐身飞机拎出来讨论,很多人又喜欢把这一代飞机称之为第三代隐身战机,其原因在于最早期的隐身飞机并不是为空战而设计的。

在那个战斗机并不愿意为对地攻击付出一磅重量的年代,危险系数最高的要数那些突破敌方防空网去执行踹门打击任务的飞行员,于是那一批研究对地打击飞机的设计师们一直在思考:要怎么做,才能让那些飞行员不被对方雷达发现?

雷达波与可见光本质上属于波的范畴,于是讨论这个问题,我们可以用可见光来说明:

中学知识告诉我们在漆黑的夜里,我们打著手电筒照路,这个时候人眼能看到物体,得益于物体表面不规则引起的漫反射,如果我们用光滑的镜面把手电筒的光线反射到夜空呢?是不是就成了一抹黑?

再举一个例子:

自行车尾部反射灯,大家都不陌生,为的就是在夜里尽可能的让其他行人发现你,我们如果将其拆开,会发现里面是一个一个的直角反射面:

感兴趣可以去看看光学大佬回答:https://www.zhihu.com/question/56823046

(上面的图片也来自于这个回答)

雷达发射天线就好比手电筒,雷达接收机就好比人的眼睛。所以想要让雷达发现不了,就必须让机身光滑不形成漫反射,尽量把雷达波反射到无关紧要的方向,并且要避免战机上出现直角。

飞机要飞什么是不可或缺的?答案是机翼! 所以一切与雷达反射面相关的东西除了机翼,能不要就不要,这就是飞翼式布局。

在这样理论的指导下,F117应运而生,是不是镜面?没有一个直角?是不是只有一个大机翼?为了隐身采用倾斜式全动垂尾,别说是上世纪八十年代,即便在今天也是妥妥的黑科技。

然而F117为了隐身牺牲太多,之前我们讲涡升力的时候讲过,战机上的突起会引发涡流干扰战机操控翼面,这家伙身上全是突起。进气道用了遮挡处理导致推力偏低,内置弹仓设计又导致弹药挂在量不足,还有为了隐蔽必须夜间出航 还要无线电静默,完全没有自卫能力,一旦被发现必死无疑。

本身气动不佳再加上飞行员顶著被发现击落的压力胆战心惊地一个人夜间出航,还不能用无线电跟后台诉苦排解压力,导致F117虽然战绩辉煌,但是事故坠毁的117比被击落的要多得多……

评论区有大佬指出117并不属于飞翼式布局,于是我考证了一下,这里应该是我疏忽了,我们现在来看看真.飞翼布局。

二战时候有一位元首,他在陆地上拥有著一座动物园的同时还在天上有著一座黑科技园,最早的飞翼式布局也要追溯到二战时期元首的黑科技。

Ho 2_29 世界上首架喷气式飞翼机,其实某种程度上它也是世界上第一架具有隐身性能的喷气式飞机,全机只用了极少数的钢材,其余为木质结构。

有人说它材料大量使用木材是为了隐身穿过盟军的防空雷达网,也有人说是为了降低机身重量增大航程从而深入打击盟军腹地,也有人说此时的德国已是强弩之末,用木头是迫不得已……总之这位哥已经被盟军缴获了好多年,可是江湖上哥的传说就没断过。

那就有人问了只不过是用木头做了架飞机,怎么就隐身了呢?其实这要从雷达的工作频段说起,常用的探测雷达工作在分米、厘米波波段,这个波段被人们称为微波。

是不是听起来耳熟,没错,我们食堂热剩菜剩饭的那个家伙发射的也是微波,因此我们可以用微波炉来说明问题:微波照射到极性、非极性跟金属材料上分别会出现吸收、透过、反射三种不同的现象。往日常了说你用一杯水放进微波炉,转三分钟水就开了,因为水是极性分子波的能量被吸收转换成了热。你把干燥的空塑料碗放进去转是不会升温的 因为波透过去了。但是千万不要尝试把金属不锈钢碗放进去,因为很可能一些老式微波炉设计不好,会把加热用的微波到处反射,弄坏微波炉是小,伤到人就不好了,毕竟人也是水做的……

(当然雷达也有用米波的,只是米波精度不高原本已经处在被淘汰的边缘,近些年来有人发现米波雷达反隐身效果不错,米波有源相控阵雷达被中国人搞得有声有色的)

Ho2-29的隐身性能很大程度上来自于它木质材料的透波属性。

话锋一转来到了世纪末,美国人在F117上尝到了甜头,可是117的外形的确是太反人类,有棱有角的机身加大空气阻力缩短了航程不说,安全性能也得不到保证。设计一款大航程大挂载的隐身飞机成为了设计师们思考的问题,于是也就有人想到了二战时这架元首的末日黑科技。结合二战飞翼布局的灵感和最新的科技成果——幽灵问世了。

此时飞翼布局这个概念被重新拿出来,还真有一种「萧瑟秋风今又是,换了人间」的感觉,随著隐身技术的发展,人们在飞机上用的雷达吸波涂层和隐身气动外形设计上已经取得了长足的进步,飞机要实现隐身可以不再依赖木头,也不再非要用117那样棱角分明的外形。

想要了解吸波材料的伙伴们可以看看这篇综述的引言,大致上有个了解:

庞大的B2燃油足矣可以跨洲际打击,一个最大起飞重量在一百五十吨以上的大家伙在雷达上不过是一只鸟的面积,全得益于独特的隐身细节处理:

B2的机身采用严格的平行锯齿化设计,雷达波打上来只会反射到两个预定的方向(安全区),发动机进气口尾喷口采用隐身化处理,进气道采用S型遮挡了雷达反射重灾区之一的发动机叶片,这个大家伙没有尾翼,只能靠机尾的偏流板小幅度的偏转来实现飞行方向的控制。

这种处女座设计师搞出来的轰炸机,如果真要挑出一点缺点的话,那大概就是贵吧……


这个问题,往小了写就是一个航空概论论述题,往大了写怕是几本书也不能完全讲明白,在这里我准备简单地归纳一下,并做一些小扩展。

先上一张机翼平面形状图

最开始的时候,大家也没想太多,直接把机翼做成了矩形,因为在没有像样制造机器的年代这样的机翼制作起来很简单。后来发现矩形机翼的升力分布(就是机翼不同区域产生升力的大小分布情况)不好,翼尖很多情况下是浪费了的,即翼尖和翼根宽度(弦长)一样,但是产生的升力明显没有翼根大,所以说明翼尖的宽度是可以缩小的,这就发展出了梯形翼。通过理论推导,升力分布为椭圆时,机翼诱导阻力最小

下洗沿展向是常数时,诱导阻力最小,此时升力分布应为椭圆,相应的机翼形状也应该是椭圆

所以当时人们觉得最优秀的飞机必须配上看起来就闪闪发亮的椭圆机翼,才能凸显高贵精密的气质

「喷火」战斗机

二战时期要做出椭圆机翼并且保证强度和光滑度,可以看出应该还是比较麻烦的,可能在结构设计师和工艺设计师的强烈反对下,大家发现梯形翼的梢根比(翼尖宽度与翼根宽度的比)在0.4~0.5之间的时候,性能居然和椭圆翼相差无几。从此梯形翼就代替了椭圆翼,现在只有对椭圆机翼有特殊情怀的人才会使用椭圆翼了,但从本质上来说,矩形翼、椭圆翼、梯形翼都属于平直翼,他们在性能、成本上各有差异,不过平直翼的优缺点一个也跑不了。

优点

  • 低速性能优异,可以以很低的速度起飞和著陆,对驾驶员可以说相当友好,所以很多现代对地攻击机和通用航空飞机、初级教练机也是平直翼。

A10攻击机

塞斯纳525

缺点

  • 高速性能差,主要体现在阻力大。一般(注意是一般!)平直翼飞机的速度极限大约在600~700km/h,再想提速的话很费劲,比如二战后期设计的P51野马,集层流翼型、光滑简洁机身、超远航程为一体,属于螺旋桨飞机中的豪杰,极速也就700km/h,不能再高了。不过硬要提速也可以,少数几个愣头青平直翼能够超过音速,比如验证机X1,是通过直接上火箭发动机强行突破音速,属于大力出奇迹的典范

P51「野马」战斗机

X1验证机

在航空工程师们拚命想突破音速的那个年代,基本上就是平直翼飞机加火箭助推,机体没散架就基本能成。大家都很奇怪,难道接近音速的时候有一面空气墙把飞机撞得粉碎吗?当时他们把这个东西称为「音障」,后来研究得知,那叫「激波」。当飞行速度接近或超过音速时,会产生激波,随之而来的是巨大的激波阻力,往往结构强度不够的飞机妄图超音速的时候就会被自己火箭发动机的推力和激波阻力压碎(当然也有其他结构振动等方面的原因)


那就没办法开开心心地飞高速了吗?不是的,德国人早就知道了答案,布兹曼在德国研究时早就发现后掠翼可以推迟激波的产生,对于提升飞行速度有极大好处,他们在这个指导思想下制造了Me 163

Me 163

Me 163号称第一种实用的火箭动力飞机、第一种投入战斗的无尾飞机。后来他们又研发了人类第一架投入实战的喷气飞机Me 262

Me 262

Me 262有著歼敌500余架,自损100架的战绩,可见在当时快要战败的德国还能获得如此战绩,Me 262是相当领先于时代的(盟军飞行员第一次在空中与Me 262相遇的时候,吓得惊呼:敌人的飞机竟然没有螺旋桨!)。后来二战结束后,美苏都在抢夺德军相关科研成果和科研人员,苏联人根据搜刮来的情报和数据设计了自身的新型战斗机米格15,美国人则直接聘请了布兹曼,利用其数据设计了自身的新型战斗机F86「佩刀」。从此,装备后掠翼的高速飞机开始大量出现,航空科技发展进入一个新领域。

米格15
F86「佩刀」

后掠翼的主要作用是使得气流分为垂直于机翼前缘流动和沿前缘流动(后掠翼是由翼根向翼尖流动),相当于对速度进行了分解,延缓了激波的产生,可以让飞机进一步提升速度

这个图显示了不同后掠角下,飞机马赫数与零升阻力的关系。显然后掠角越大,阻力随速度增长得越慢

后掠翼解决了高速飞行的阻力激增问题,但是他的缺点也是一抓一大把,主要有:

  • 翼尖失速问题。因为气流不断向翼尖流去,导致翼尖附面层堆积得很厚,很容易就失速了。左右翼尖又不太可能同时失速,所以任何一边先失速都会引起飞机滚转和摇摆,而且因为翼尖向后延伸,翼尖失速也会导致飞机俯仰运动。飞机开的好好的,突然像被什么打中一样开始摇摆也不好是不。解决翼尖失速的方法有加翼刀(粗暴地阻断和抑制气流沿翼展方向流动)

插一个小知识点,大家知道为什么有些米格15左侧翼刀有缺口吗?其实是因为他左侧有起落架收放状态指示杆,翼刀挡住了飞行员看指示杆,所以挖了一个洞。。。

  • 机翼扭转刚度差。与同面积同重量的平直翼相比,后掠翼的结构是受力更严重的。因为后掠这个形状,后掠翼就是比同面积平直翼更长,而且机翼中部和翼尖的升力直接以翼根为转轴施加了一个力矩,使得结构苦不堪言。
  • 副翼失效现象。副翼一般都安装在机翼最外侧,这样效率最高,但正是因为上面的机翼扭转刚度问题,在副翼偏转时,比如下偏的时候,翼尖处升力会增加,在此升力作用下,翼尖会产生低头力矩降低自身的迎角,这下好了,飞得越快,副翼偏转时翼尖迎角降低得越厉害,直到某一个临界速度,副翼偏转增加的迎角等于结构变形减小的迎角,这会副翼就完全没作用了。速度再大点副翼还能反效,就是操纵效果与正常情况相反,是不是很刺激?现代客机也是大展弦比后掠翼,同样存在这个问题,不过不用担心,解决办法早就有了。大家坐飞机的时候,可以观察一下客机的机翼,他一般分为高速副翼和低速副翼,高速副翼在内侧,低速副翼在外侧,根据速度配合使用这两个副翼可以有效解决副翼失效问题。

红框内是低速副翼,低速时使用,效率高。绿框是高速副翼,高速时使用,虽然离机身近导致力臂短,但是在高速飞行时,空气动力强,整体效率还是可以的

细心的同学就会问了,后掠翼有这些缺点,换成前掠翼是不是可以解决呢?前掠翼好像比后掠翼好得多,前掠翼不容易翼尖失速,因为机翼上的气流展向流动是从翼尖到翼根,所以前掠翼会在翼根缓慢地失速,失速了问题也不大,也不会产生副翼失效,看起来很美好,貌似解决了后掠翼的问题又消除了后掠翼的缺点,在这样的指导思想下,各类前掠翼被设计出来了

X29验证机
苏47 金雕
「佩刀蝙蝠」

然后他们发现这东西真坑啊,前掠翼有天生的缺陷——机翼结构发散。前掠翼飞机哪儿都好就是有一个致命问题,其在飞行时,翼尖产生的升力会让翼尖绕翼根扭转变形,导致迎角增大,因为翼尖迎角增大又导致翼尖位置升力增大,那么就又会继续增大迎角,形成一个越来越不可收拾的死循环,最终将导致机翼结构破坏。当然,增强机翼强度可以抑制这种现象,苏47也是整个机翼使用了90%的复合材料才将这个问题抑制下来。


那么看来,后掠翼和前掠翼在结构上都有各自的劣势,那么有没有一种机翼形状既可以满足高速飞行,又能保证同等重量下的结构强度呢?

这时三角翼就被提了出来,三角翼后掠的前缘可以推迟激波的产生,提高飞行速度,而比后掠翼更长的弦长(沿机身方向前缘到后缘的长度)增加了结构高度,机翼内部空间变大,更能装东西,也更能抗各种力。其缺点主要有:

  • 最大升力系数小,降落比较困难。三角翼的飞机降落比较麻烦,如果没有合适的增升装置,那就是以较高的速度硬著头皮降了。
  • 因为三角翼展弦比小(就是不如后掠翼等细长),所以滑翔性能差。拥有细长机翼(大展弦比)的飞机在动力不足或动力失效的时候还能自己滑翔飞行一会,这期间可以尝试重启发动机或迫降,但是三角翼飞机相对来说就不容易滑翔,发动机一不工作的话问题就很大。

幻影2000


后来,大家就发现三角翼这东西相比后掠翼什么的很不容易失速,经过长年的研究,终于点亮了涡升力和涡流的科技树。之前大家所想的是,一定要保证气流在飞机表面(尤其是机翼和尾翼表面)的附著流动,气流就应该老老实实按照飞机表面设计的形状流过去,不要在那产生旋涡、乱流什么的。三角翼出现后,发现大迎角时强劲的旋涡可以在机翼上表面形成低压区,也可以产生相当可观的升力,之后就衍生出了边条翼、大迎角非线性飞行动力学的研究。

加装边条翼后在大迎角仍能产生升力
F18边条翼拉出的涡

那这样看来三角翼还是不能同时拥有高速飞行和低速起降的需求,为了满足这个需求,变后掠翼就横空出世了。既然高速飞行需要大后掠角,低速飞行(起降)需要平直翼,那搞一个可以变角度的机翼,真正实现双卡双待!

起飞、降落、低速用卡1,航母起降轻轻松松
航母停放、高速飞行用卡2,不仅飞得快,还能少占地

变后掠角倒是真的实现了高低速兼顾,但是飞机设计没有鱼和熊掌兼得的情况,总师中总有那么几个会抱头痛哭。F14变后掠翼气动上效果那么好,那麻烦事都转移到结构上去了。在F14上,计算重量以克为单位的结构总师头皮发麻地增加了800公斤的变后掠装置,我都能感觉他的手都是颤抖的,合著辛苦减重好些年,加个装置解放前。而且因为机翼会旋转,F14机翼下都不敢挂导弹,转过来把自己打了怎么办。变后掠翼看起来很酷炫,但是火了几年就没什么声音了,说明其机翼旋转机构增加的重量是真的让人受不了。后来也有各种变后掠翼的变种出现,比如AD1

AD1

AD1直接旋转机翼,一面天堂一面地狱,不对,一面后掠一面前掠。据设计师估计,安装「旋转翼」的超音速运输机的燃油效率是传统运输机的两倍以上,不过用户表示。。。飞机设计道路千万条,安全第一条。。。。看这个样子就有点不敢坐啊。


扩展一个优美的机翼形状——S型前缘翼

S型前缘翼的典型代表是「协和号」

因为「协和」很漂亮,所以要放2张图

特点就是前缘为S型。人们通过双三角翼(即机翼内侧大后掠,外侧小后掠)在高速和低速的矛盾需求中寻找平衡,而S型前缘翼基本上是由双三角翼修型而来。


至于鸭翼呢,就是属于另一个范畴了。

飞机中由机翼产生主要升力,由尾翼对飞机进行控制和稳定。现在看到的飞机大多都是机翼在前,尾翼在后(不然也不会称为尾翼是吧),就像民航客机那样,这样的布局称为常规布局,是相当成熟的布局,也有一系列成熟的设计方法。但是大多数人不知道的是,在常规布局中,尾翼产生的是向下的升力,也就是他的存在导致整机升力降低。那这是为啥?因为机翼不光产生主升力,也产生低头力矩,为了消除低头力矩,就需要尾翼产生向下的升力形成抬头力矩以使飞机达到平衡,如果一个常规布局飞机在天上突然没了尾翼,他可是会一头扎下来的。斤斤计较的航空工程师当然不想有尾翼这种产生负升力的东西,觉得他的存在就是对飞机性能提升的一大阻碍,于是想著把水平尾翼放到机翼前头去(除了试验飞机,极少有把垂直尾翼也放在前头的),这样他的升力既可以补充到整机升力中,也不耽误产生抬头力矩。就这样,大家把前置的尾翼称为鸭翼。鸭翼并不是现代的发明,莱特兄弟的飞机上用的就是鸭翼,但是后来很长一段时间内,再重新拿出鸭翼的飞机也很少,主要是因为在控制和稳定性理论发展不足的年代,使用鸭翼总是使飞机不稳定。还有一个原因是,鸭翼和机翼就像力气一小一大的两人把整个飞机抬起来,重心位置调配得不好时,你感受过小个子拚命抬,而大个子不使劲的绝望吗。。。当然鸭翼的作用在有些飞机上也不仅是平衡飞机,还起到与机翼相互耦合,产生涡升力的作用,比如

近耦合鸭翼的涡
阵风

对于鸭翼,美国人说了一句名言「最好的鸭翼都装在别人的飞机上」。这句话至今也没人能想明白,主要是它有歧义:

一是美国人觉得鸭翼这个东西不怎么好,要装你们装,我是不装的。

二是美国人觉得为什么其他国家设计的鸭翼效果发挥得比美国的好?

这句话使众人分不清站在航空学顶点的国家对鸭翼的态度是褒是贬,但就美国众多飞机型号来看,他们使用鸭翼的飞机真的是寥寥无几。其他国家鸭式、三翼面、无尾等各种布局轮番上,美国人就是常规布局、常规布局、常规布局。。。


后来随著理论研究的深入和计算机技术的发展,大家设计机翼就开始放飞自我了,简单的列举几个:

  • 串列翼。串列翼就是将鸭翼做得和机翼一样大,前后两个差不多的机翼将飞机抬起来。串列翼的变种有联结翼、盒式翼。串列翼两个机翼的载荷(分担的重量)分配是比较重要的,如果分配不好,会出现一个机翼被迫超额提供升力而另一个全程划水,这样会大幅降低效率,一般认为连接翼、盒式翼在结构强度和结构重量上更有优势。伯特鲁坦(我最喜欢的飞机设计师)就非常喜欢搞串列翼

海神之子

称为联结翼或盒式翼,是将串列翼的两个翼尖连起来
  • 飞翼。这也是大家很熟悉的一种飞机布局了,整个飞机只有一个机翼。虽说看起来只有一个机翼效率会提高不少,但其实很多飞翼布局飞机必须使用反弯度翼型来保持平衡,而且其后缘舵面因为力臂短,所以操纵效率也不高,总的来说在气动效率上真不见得超过常规布局的飞机。

X48-B

  • 环形翼。基于飞机设计师都想降低诱导阻力、阻止机翼下表面气流往上翻滚的强迫症,有人机智地提出了环形翼。。。这机翼已没有上下表面之分,只有内外表面,看你气流怎么翻上来。。。这种机翼研究的人很少,不过掉进这个机翼坑的人已经承认,环形翼的迎角也不知道怎么定义,一个较小的任意方向的气流偏角就能使整机气动力发生不小的改变,使气动力计算和稳定性分析苦不堪言。

  • C型翼。其实就是将翼尖小翼做大了,还翻了几折,其气动优势和结构优势还不太明确。

  • 三翼面。就是一架飞机既有水平尾翼又有鸭翼,苏系飞机常用设计。理论上可以通过各舵面综合应用达到相当优秀的机动性和适应能力,不过因为舵面更多,气流相互干扰耦合也更严重,对设计水平要求较高。

苏34「鸭嘴兽」

  • 特殊飞机。一些飞机因为技术超前或有特殊用途,我认为其设计体系是自成一体的,所以单列出来。典型如F117,当时设计团队觉得最优秀的隐身飞机就得有多面体直线外形和堵住进气口和尾喷口的发动机,就凭这两点,负责空气动力和动力系统的总师应该就已经相拥哭晕在厕所了。为了降低红外特征,F117只有1分米高的窄缝尾喷口将排气与冷空气充分混合,最终排气温度只有66℃!煮鸡蛋都只能煮溏心蛋!代价是损失30%引擎效率。众多平面拼搭起来的外形只能保证这飞机勉强。。。呃,能飞。

虚假的F117

真正的F117
  • 各种航空院校学生设计。学生们为了各种设计比赛发挥专业知识和神奇脑洞,设计了一个又一个创意作品。在学校里,你设计一架常规布局飞机可是会被嘲笑的。放一个视频你们感受下

我感慨在莱特兄弟时代的飞机发展初期,大家都不知道何谓飞机布局、何谓水平尾翼,更不清楚操纵性与稳定性的概念,总想著「力大砖飞」,飞不上天一定是发动机不行。在各学科的发展都比较落后的情况下,凭借著一次次粗暴而直接的试错,硬是开辟了航空这门改天换地的学科,期间无数学术大牛和热血青年的各种奇思妙想和艰苦试验让我热血澎湃。

我的财宝吗?想要的话就给你吧,去找吧!我把世界上的一切都放在那里!

(图片来源于网路)


我写这个回答主要是为了反驳一下某些人的想法。

@jqdsu 连你也能看懂的来了

在这里基于事实分析。

抬式布局(就是鸭式布局,我怕你不懂)如何分类取决于鸭翼在整体的气动设计中起的作用。

还是那句话,说歼10是抄LAVI的去看眼科或者是脑科;认为歼20是抄米格1.44的同样去看眼科或者是脑科;认为歼20是歼9VI-II拉皮的也一样去看眼科或者是脑科。

如下图

像?顺带一提,这东西早嗝屁了,歼10改到C

视力没问题?

气动设计,牵一发而动全身,一个小小的变更都会带来难以想像的变化。

你儿子有两条胳膊两条腿,隔壁老王也有两条胳膊两条腿,所以你绿了?

严格来讲,歼10方案的提出比LAVI早,LAVI抄歼10还差不多。

歼10方案1982年4月敲定,LAVI则是同年10月。(不信自己去查)

LAVI的问题很严重,发动机气动美国人的,飞控系统欧洲的。这飞机上有多少东西是属于以色列的才是问题。

另外,你们找爹都不会找,要找的话麻烦找个像一点的。

这个够像,你看的懂吗?

我来讲下理由。本文仅限于鸭翼以及鸭翼对整体的影响部分。

1.鸭翼是拿来干啥的?

俯仰控制、气动配平、产生涡升力。

俯仰控制的意思很简单,控制飞机迎角的增大或者是减小。正如其他回答所说,机翼尾流对舵面效率的影响不可忽视,将水平尾翼放在机翼前面会避免这个问题。

但这样完全不同的设计会带来其他问题。

抬式布局,一般来讲鸭翼在这种布局中的作用主要是俯仰控制和气动配平。我们知道当飞机的速度越来越快,它的气动焦点会越来越靠后。对于常规布局的固定翼飞机,是用水平尾翼产生负升力把屁股压下去。对于抬式布局,则是通过增大鸭翼迎角,增大升力把机头抬起来,这也是抬式布局这个词的由来。

最后是涡升力。

对于现代战斗机,对涡升力的利用程度是评价战斗机气动设计水平的重要依据。

涡升力是怎么产生的?

这里就要谈诱导阻力。我们知道,当飞机的速度越来越快,机翼增大后掠角以减小阻力。因为后掠角的存在,当气流在机翼上面流过后,并不是理想的平直的流过机翼上表面和下表面,而有一部分是沿机翼向翼尖流动。翼根效应,翼根处的压强总比翼尖大,因为气流向翼尖堆积,然后更早地发散。这个现象实际增大了翼尖的等效迎角。当飞机的速度加大,翼尖处的等效迎角增加到一定程度,就会超过机翼的失速迎角,然后就会发生翼尖失速现象。

翼尖失速这个现象,后掠角越大,速度越大越严重。

在翼尖,下方相对于机翼上方更高压的气流翻上来,同时飞机向前主动做功产生涡流。

很明显是不是?

由于这个过程需要飞机主动推开空气做功,而且涡流的相对速度更大。也就是因为这个过程产生了阻力,叫做诱导阻力。

诱导阻力是飞机主要的阻力来源之一,如何降低诱导阻力的不利影响一直是飞行器设计的重点。对于客机,通常采用添加翼梢小翼的方法来降低不利影响。

对于战斗机,一般是通过机翼扭转的方式来减缓翼尖失速的发生,上面的F22的翼尖很明显。也就是人为的降低了等效迎角。

翼刀?算了不提。

机翼扭转足够明显了

为什么机翼能够产生升力?

简单来讲,伯努利原理(严格来讲,不是)。因为机翼的形状,再结合一下鸭翼的位置,如果能让鸭翼产生的涡流吹过机翼上表面,不就能使机翼上表面的空气流速更大,实际提升机翼的升力吗?

鸭翼产生的涡升力能有效增加飞机整体的升阻比,在这个过程中,鸭翼带来了诱导阻力,但是机翼获得了更大的收益。这个买卖是划算的。同理边条也一样。

(以上是简化处理)

@jqdsu 有请你来讲一下边条的作用和原理,特别是如何增大机翼的失速迎角这一点

近耦合战斗机就是这样。歼10、LAVI、米格1.44、鹰狮、阵风都是这一类。

远距不耦合这类暂且不提,说了你也不懂

在这个过程中鸭翼涡甚至起到了翼刀的作用,减缓了气流堆积。

但是对于近耦合的飞机,成也涡流败也涡流。典型的就是阵风,涡流会带来阻力,特别是超音速段,这是不可避免的问题。

注意:相同空速下,鸭翼的位置、尺寸、后掠角、上反或是下反都会影响到涡升力的效果。

2.鸭翼对于整体的影响

前文说了,俯仰控制、气动配平、涡升力。

相同情况下,如果能让鸭翼气动焦点的位置和机翼气动焦点的位置尽可能远,在超音速下就能产生足够长的配平力臂。当飞机越来越快时气动焦点进一步后移,配平力臂越长的越有利于稳定飞行。

这个够远的

未来的战斗机如果要追求高速性能,大概率会使用远距不耦合抬式布局。

很明显歼10比LAVI适合高速飞行。

因为国土防空的需求,才会有歼10这种截击机。为什么说歼10是截击机?

飞机需要多快的速度和技战术指标直接相关。上图的XB70就是典型的例子。

而飞机能飞多快取决于很多因素,包括发动机涵道比,更高超音速升阻比的气动设计等等。在高升阻比的气动设计中很重要的一点就是气动配平,常规布局负配平的同时会带来对整体升阻比不利的阻力,抬式布局的代价则小得多。歼10的配平力臂远比LAVI长,放宽静稳定度远比LAVI宽(说这东西是静稳定的我都信)。

最大2.2马赫的飞行速度,较大的长细比,足够大的机头来放置尽可能大的雷达,为了速度翼尖挂架都没有,诸如此类。

所以为什么说歼10和LAVI的区别就像马和骆驼。LAVI的鸭翼基本上就是个涡流发生器。另外LAVI机翼和鸭翼的距离过近,以至于涡流产生的阻力加上基本没有的配平能力使这东西的高速性能…

追求低速性能的阵风都比这玩意适合高速飞行。

这东西就是个攻击机,用来取代A4之类的。而歼10最早设计就是有截击需求的国土防空战斗机。

歼10鸭翼和机翼的距离远比LAVI的大,这就是关键,这是本质区别。

歼10全尺寸金属样机用的是皮托管进气道?没错,最早期的设计类似F16,但是这个和LAVI没有关系,从全尺寸金属样机的照片来看,和F16以及LAVI这种并不一样,不信自己找个侧面图看一下。

到最后的设计确实是二元可调进气道,最后装著二元可调进气道的飞上天了,怎么著?

但如果有人说是LAVI硬改过来的,我只能

目力风洞,脑补气动的你也是人才

至于歼20和米格1.44之间的区别,你听不懂的,有兴趣的读者可以翻阅我之前的回答。

鸭翼下洗流的问题过于复杂,这里不予讨论。

写这个回答是因为看不下去某些人不懂装懂的德行。行文混乱,望见谅。


特别给找爹党们说一下。

借用 @中文屋里的幽灵 的一幅图来做个对比:

可见以色列Lavi战斗机和国产歼10战斗机在气动外形上的巨大差别。

Lavi采用的是超近距耦合鸭翼+后掠翼设计,这种设计堪称航空器设计史上的奇葩。受鸭翼下洗流影响,主机翼内段局部有效迎角显著下降,却没有采取翼前切角或大幅度向上扭转的措施加以补偿,大迎角飞行时将出现提供大部分升力的主机翼内段还没失速,安装著副翼、负责横滚的外翼段就先失速的凄惨情况。此外后缘襟翼和鸭翼的纵向操纵力距都太短,高升力系数大迎角飞行时将难以产生足够的低头力矩,一旦失速就没办法改出,这就是Lavi可用迎角受到严厉限制的根本原因。如果这个玩意儿服役了,必将接替f-104星战士,成为新一代寡妇制造者。

反观歼10,采用的是独一无二的中距耦合鸭翼布局,兼顾俯仰控制和涡流发生,虽然与台风相比力矩较短,但仗著翼面积更大,展向变弯度从而升力系数较高,又处于主机翼上洗流场中,升力效率更出色的鸭翼,获得了出色的超音速俯仰控制许可权。再加上以进气道斜板(A型)或鼓包(B和C型)的超音速激波升力为鸭翼卸载,高速飞行性能毫不亚于鸭翼力臂更长,整机推重比更高的台风。且较大的鸭翼也确保了耦合态下足够强大的涡流发生和控制能力,鸭翼下洗流对主机翼的不利影响则通过大幅度展向扭转主机翼、提高内翼段迎角解决,较大的鸭翼更可通过对涡流场的主动控制实现偏航操纵。歼10和台风在典型空战挂载时的超音速升阻比不低于4.0,高速飞行性能显著优于典型三代机,是「指向机动」设计理念的经典产物。

如此风马牛不相及的两种机型,居然还有人能强行找爹,我只能说:同志,辛苦了,今天晚饭加鸡腿。


简单一点说。

后掠翼主要是两个目的,一个是高速飞行的升力中心变化,另一个是降低空气激波阻力。

所以后掠翼适合高速飞行(可以简单理解为大于声速)。

但是后掠翼飞机在低速下升力有限,升力中心过于靠后,所以低速性能普遍不佳。而且因为机翼离机身近,旋转力矩低,所以机动性普遍都比较难看。

作为舰载机,需要良好的低速性能来进行著舰,所以有了变后掠翼。低速小角度后掠,高速大角度后掠。当然有些奇葩轰炸机也选择这个。。

鸭翼最初主要是利用小翼的涡流增升。提高低速性能。后来很多大佬觉得这玩意儿能提高飞机的俯仰性能和转向。这里面的气动就很让人崩溃了。但是效果确实不错。

此外还有三角翼(法国人的独特脑洞),飞翼机,升力体等等机翼


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