聊聊鸭式布局上舰的问题_风闻

（下面转2015年在超大军事论坛写的东西，供大家参考）

https://lt.cjdby.net/forum.php?mod=viewthread&tid=1950649&extra=

以前我个人也设想J-20上舰，毕竟国内四代机就J-20和鹘鹰，也提出过减小机翼后掠角和扩大翼展的想法，但是那个想法也就是想想，没有从气动角度去考虑到底是否可行。这两天看到了J-20H舰载机的图，也和草根聊别的事情的时候草根提到他也参与讨论过这个J-20H，所以就着这个话题聊聊鸭式布局飞机到底该如何上舰。我们先看一下已经上舰的阵风采取的上舰措施：毫无疑问不少军迷知道阵风M和阵风陆基版在气动上没有太大区别，阵风M主要是加强了起落架并让前起落架升高，阵风M是靠大迎角着舰，阵风M的襟副翼放下角度并不大。为何阵风会选择增大迎角上舰而不是让襟翼放下角度更大着舰，这是因为鸭式布局的襟翼还要起到俯仰操纵作用，注意看下面阵风弹射起飞时襟副翼是向上偏转来提供抬头力矩，以便阵风离开甲板后能够快速抬头以一定仰角爬升。阵风选择较大迎角着舰更根本的原因是鸭式布局需要一定的迎角可以让鸭翼涡和机翼涡来进行耦合，这样耦合增升效果显著，加上机翼本身在较大迎角时能够提供更大升力，所以阵风的着舰速度并不高。类似的台风后来也有上舰计划，台风上舰主要是英国BAE公司在看到F-35项目拖延时想钻空子忽悠英国本国去买，其上舰降低着舰速度的策略和阵风相同，只不过台风的下视线没有阵风大，而座舱高度却不容易抬高，所以曾经有过利用潜望或者摄像头来帮助着舰的想法，具体示意图如下：还有一个鸭式布局且是四代机的就是诺斯罗普和麦道提出的利用YF-23技术开发的NATF-23，注意是利用YF-23的技术，NATF-23在气动上和YF-23的差别可以说是天翻地覆，具体NATF-23的图如下：从上面图来看，NATF-23只是少量采用了YF-23的东西，整个飞机基本是全新设计：除机头和机翼形状和YF-23比较类似，其他很多东西都与YF-23不同，就是机翼面积也增加了不少，目前根据找到的一些带比例尺的图上测大约是14.4-14.6米，这比YF-23的13米多点要增加不少；NATF的机身加宽，腹部容纳两个并列的弹舱；进气道不再是类似YF-23那样的倒梯形进气道，而是采用了带点鼓包或者调节锥的进气道；发动机采用窄间距，进气道水平面上的完全程度更大；采用了全动垂尾，但垂尾面积相当大；鸭翼基本也是类似机翼的前缘后掠后缘前掠，鸭翼是倾斜安装而不是像J-20是鸭翼带上反角，子所以倾斜安装似乎并非是像J-20鸭翼安装位置和机翼在一个平面而需要上反让鸭翼涡在机翼上面，更像是为了让鸭翼转动时不要和机身侧面碰撞，其转轴不是水平的，而J-20的转轴可能是水平的。基本上NATF-23的机翼后掠角和YF-23相同，应该是40°的样子，后掠角40°的机翼还有鸭式布局的涡增升作用么？根据方宝瑞书中的说法，40°机翼本身很难在机翼前缘产生涡，所以几乎没有涡的耦合作用，在大迎角时鸭翼也能产生增升作用，其解释的原因是大迎角时鸭翼对机翼的下洗改善了机翼的气流分离情况从而增升，这个增升作用在后来宋老的《小展弦比》论文中提到鸭翼对45°后掠角机翼的增升作用时也有提及。在方宝瑞书中提到大约在迎角到15°以上能够体现出鸭翼对机翼产生有利干扰来增升。当然不能说NATF-23的鸭翼就不会产生涡，但这个涡的作用多大可能是个问题。另外我们注意NATF-23的鸭翼翼稍距离机翼距离相当大，这和典型的鸭式布局让鸭翼距离机翼不要太远来让涡耦合的思路是有一定区别的。那么NATF-23是不是就没有涡增升的措施了？其实NATF-23还是有涡增升措施，就是利用扁平的前机身棱边来起到边条的作用，这个思路在YF-23上就用过。NATF-23的机身相比YF-23加宽了，这让左右两边的涡的距离有所加大，但是NATF-23比YF-23多了垂尾，垂尾就要考虑避免涡的冲击，所以NATF-23采用了窄间距发动机来让垂尾间距较小，避开涡的冲击，这样一来发动机间距也就得小，这或许就是NATF-23采用窄间距发动机布局的原因。那么NATF-23到底靠什么来增升降低着舰速度？个人认为可能还是通过增大着舰迎角的方法来增升，因为NATF-23的机身大大缩短，擦地角增大，而NATF-23的下视线本身也比较大，有增大迎角的条件。当迎角增大后，前机身产生的涡就可以扫过机翼，鸭翼的下洗作用也增加了部分升力，加上面积很大的机翼在大迎角下的高升力，由此来降低着舰速度。那么我们回头看J-20H的设想，其主要的变化是减小了机翼后掠角增加了翼展，机翼前移并缩短了机身，为了隐形的平行关系鸭翼也做了适当调整，为了平衡机翼面积增加也适当增加了鸭翼面积，同时缩小了机翼和鸭翼之间的边条长度，边条的后掠角也变小了，另外还调整了全动垂尾的大小和腹鳍的大小，调整了起落架位置和升高了座舱。这些变化中，对于气动影响最大的可能就是机翼后掠角的变化和边条被缩小并改变后掠角，根据2002年北航的《大迎角下鸭翼涡与边条涡的干扰特性》论文中提到50°机翼本身的涡比较弱，但是通过鸭翼涡和边条涡以及机翼涡的相互作用使得涡强度提升，从而提高了升力。目前看J-20的机翼后掠角大约48°，可以说都在上述论文讨论的鸭翼涡、边条涡和机翼涡相互影响范畴。那么机翼后掠角改为40°后机翼很难出现绕过前缘的涡，而边条产生涡主要看边条面积和边条的后掠角，因为边条产生涡的条件是让气流从边条下绕过边条边缘到上面形成脱体涡，窄的且后掠角大的边条可以让涡更容易绕过边条，而边条面积越大绕过边条的气流越多涡强度越大。现在这样调整的结果会削弱边条涡，另外鸭翼翼展的增加也会让鸭翼涡更靠外，这样边条涡和鸭翼涡的相互耦合作用是否还存在是否还在理想距离都是问题，这改变了整个气动布局中的大迎角飞行特性，对起降影响或许不大，但对作战盘旋等会有影响。在起降方面，根据方宝瑞书中的说法通常边条迎角大于9°才会有效果，而鸭翼要大于12°才能与机翼涡有更强的耦合，即便不耦合要让鸭翼的对机翼的下洗降低升力变成下洗改善机翼表面流动增升也得12°以上，一般起降时候迎角达不到12°这样的程度，鸭翼这个时候主要起到配平的作用，主要升力还是要靠机翼来提供，那么设想的J-20H增大襟翼是否就能大幅度增加升力？其实前面阵风上舰的图就能看出，鸭式布局飞机的襟副翼要起到俯仰和滚转操纵作用，压实布局飞机的襟副翼距离重心距离比鸭翼更远，而鸭翼面积通常比尾翼要小，这样襟副翼偏转幅度大后鸭翼通常难以去配平，另外襟副翼本身要起到操纵作用，不能将襟副翼放下到最大角度来增升，因为到那个时候襟副翼就没有操纵的余地，而鸭翼虽然也能起到配平作用但鸭翼的配平会影响到机翼的升力，鸭翼的配平主要体现在大的飞行姿态下的配平，而在小的操纵姿态上的调整还得靠襟副翼实现。综合这些来看，襟副翼面积增大带来的增升效果可能没有想象的那么大，最好还是增大着舰迎角。从J-20H的设想上来看，起落架升高和升高座舱对增大着舰迎角是有好处的，减小腹鳍估计也是为了加大擦地角，这个或许是最有利的提高升力的措施。不过根据方宝瑞书中所提座舱提供的阻力能够占到全机阻力的9%左右，所以如果综合优化恐怕还得结合机头设计一起调整。其实气动上都发生这么大变化，机头做调整也没什么。整个气动做了上述调整后，还有一个疑问是如何保证能够达到1.4马赫的超巡，要知道缩短机长、减小后掠角、增加翼展、升高座舱都是增加了超音速阻力。其实就老美的NATF项目来说，美海军没有提空军所说的超巡的要求。从总体上来说，整个气动的变化非常大的，尤其是边条被缩小、机翼后掠角变化直接的结果就是原有的鸭翼涡、边条涡和一定的机翼涡耦合被弱化，大迎角性能是否还能保证是个问题。既然如此，这里提个建议，还不如把机翼改成双三角翼，内侧机翼后掠角加大到60°，外侧机翼还是40°，这样让内侧机翼可以产生机翼涡可以和鸭翼涡耦合，同时双三角翼本身增加了机翼面积，对小迎角增升也有好处，对改善机身截面积过渡也有好处。而在大迎角方面，看看是否可以利用601所在三翼面解决大迎角时的策略看看是否可以改善大迎角性能。最后，鸭式布局的气动调整相对常规布局来说，无论动鸭翼还是动机翼，都对原有的气动耦合关系进行了改变，鸭翼和机翼相互之间的关系就得重新调整，而这个调整恐怕不是军迷能够说到底选择什么样的参数是合适的，至少应该用计算流体力学去算一算，实际上真正做项目还应该去风洞去吹风，包括起降性能、大迎角和超音速等都得吹风后确定。在结构上，结构设计很多东西无法沿用现有设计，也得重新做，甚至关于强度试验也得如此。那么最后能够通用的就是电子设备、发动机和部分机载设备。可以说几乎相当于全新设计了。在资金层面，按照F-35C相比F-35A要高不少的价格，估计这样的J-20H的价格也会比J-20本身要贵不少。我们海军目前正处在大规模建设期，核潜艇、新航母、大驱等都需要花钱，真的难说有多少钱能够支撑这样的项目达成。如果J-20能够像阵风M那样改动较少，那么相应的成本还可以降低，不过就目前看J-20设计思路并未有向上舰方面倾斜，所以J-20上舰，恐怕得有更多创新的思路来去解决。个人以前YY过一些J-20如何改上舰的思路，实际上本身我自己都知道是瞎想，真正如何改可能还要看611所有什么高招了。根据目前一些传言，似乎海军更倾向小一点飞机上舰，因为基于J-20改动量大且最后成本高的话，小一点飞机多少在研制、采购和使用上多少都能省点钱，所以舰载机最终采用什么方案，是个包括技术、资金等的综合考量的结果，大家对出现任何一种可能出现的情况都不要感到意外，军迷毕竟不是军方，不了解军方实际面临的难处。