鸭式布局飞机的优缺点(鸭式布局轻型飞机)
导语：战机运用“旋涡”空气动力学的典范：鸭式布局、边条翼的产生
早期，飞机的飞行马赫数很小，因此经典的飞机气动设计的基本特点都是尽量使气流保持附着型在飞机表面上流动 , 在飞机正常使用范围内不发生气流分离这样 , 可以得到最低的阻力和最高的升阻比。从而设计出拥有优秀飞行性能的飞机。机翼上的气流发生分离 , 表示飞机达到了最大升力 , 这是飞机使用的极限。
随着技术与需求的不断发展，对于现代战斗机 , 一般要求在亚、跨声速有高的机动性 , 同时也要求具有超声速的飞行性能 , 对新型战斗机还要求具有过失速机动和超声速巡航的能力。经典的层流流动的空气动力学已经无法满足时代的需求。现代战斗机一 般采用中等的或大的后掠角或相对厚度很小的机翼 , 而且机头也很细长。 这使得飞机在不大的迎角时即发生分离 , 并且是比较稳定的气流分离，通常形成脱体涡。
人们发现有效的利用好一些稳定的气流分离，反而能够大大提升飞机的飞行性能。脱体涡能对飞机产生很大的涡升力。另外，经过合理的优化设计，还能使边条翼产生的脱体涡与飞机后体流场产生有利的干扰，从而进一步提升飞机的飞行性能。为了应用这种旋涡流动的优点，在现代战机设计发展出了一些特殊的布局与部件：
1、鸭式布局：1903 年莱特兄弟发明的第一架飞机就是将操纵面放在机翼之前 , 也就是现在所说的鸭式布局 , 那时候人们对空气动力学还缺乏基本的研究 , 也不了解稳定性的要求。由于对稳定性和操纵性的了解逐渐深入 , 后来的飞机都采用正常式布局 , 即将平尾安排在机翼之后。并且正常式布局特别适合于初期的螺旋桨飞机 , 因为发动机、螺旋桨和驾驶员都在飞机的前部 , 平尾可以得到很大的力臂 , 另外平尾处于机翼的下洗场和螺旋桨的滑流中 , 对平尾的平衡能力和操纵效率起到有利的作用。
对于静稳定的飞机 , 重心在气动中心之前 , 平尾的平衡方向朝下 , 对全机来说起降低升力的作用。而鸭式飞机则相反 , 鸭面平衡力向上 , 提高了全机的升力。随着飞机进入超声速飞行 , 机翼采用大后掠角引起气动中心后移 , 同时发动机功率加大引起发动机重量增加 , 而大多数军用飞机的发动机都安装在机身后部 , 这些因素使飞机的重心越来越靠后 , 平尾的力臂不断减小 , 这就需要加大平尾面积 , 因而导致重心后移和增加平尾面积的恶性循环。此时鸭式布局又重新引起们的重视 , 鸭面布置在大后掠机翼的前面可以得到较长的力臂 , 因而有较好的操纵性和较大的升阻比。
鸭式布局是利用鸭面和机翼前缘分离旋涡的相互有利干扰的作用使涡系更加稳定 , 推迟旋涡的破裂 , 这样就提高了大迎角时的升力。为了充分利用旋涡产生的作用 , 近距鸭式布局一般采用大后掠小展弦比的鸭面和机翼。因为这种升力面的特点是在较小的迎角时就产生前缘旋涡(脱体涡流型) , 而且它旋涡强度大 , 比较稳定。
现代先进战斗机不但强调高机动性 , 同时还要求良好的超声速性能 , 甚至要有超声速巡航的能力。因此 , 大后掠小展弦比升力面的近距鸭式布局是现代先进战斗机经常考虑采用的一种形式。现代战斗机最早采用鸭式布局的是瑞典 SAAB-37, 它是典型的近距鸭式布局 , 采用大后掠小展弦比鸭面和机翼。与正常布局飞机 F-4 和无尾战斗机 F—106 进行了比较虽然 SAAB-37 飞机的翼载与 F-106 基本相同 , 但其进场升力系数比 F-106高65% , 使进场速度降低了23%，有较好的着陆性能。SAAB-37飞机的进场升力系数比F-106高 , 除去近距鸭面的有利升力干扰 之外 , 还有鸭面配平产生的正升力。而无尾式飞机机翼后缘襟翼配平产生负升力。 F-4飞机的进场升力系数较大 , 是因为其机翼后掠角较大 , 另外还采用了吹气襟翼。否则，它要比SAAB-37差的多。
2、边条翼布局：对于大后掠的细长机翼 , 在很小的迎角时 , 气流就自前缘分离形成旋涡 ,这种分离涡是很稳定的 , 而且随着迎角的增大其强度不断增大 , 产生很大的涡升力。但细长翼的低速性能不好 , 阻力大 , 起飞着陆的性能很差( 翼展小 , 限制了襟翼的面积 , 同时起飞着陆的升力低)。
20 世纪 70 年代出现了边条翼的气动布局。它是在机翼的前方加一细长的边条 , 边条在大迎角时大幅度提高全机的升力和减小阻力。这种明显提高大迎角升力的作用是边条旋涡本身的增升及与其后机翼流场的有利干扰的结果。边条机翼布局是旋涡空气动力学应用的一个典型例子 , 它取得了很大的成功 , F-16, F-18 , 米格-29, 苏-27 等飞机都采用边条翼 布局形式 。
细长三角边条翼与大后掠角三角机翼的流态相似 , 在不大的迎角时 , 机翼下表面的高压气流绕过前缘流向负压的上表面引起前缘分离 , 分离气流在上表面形成旋涡 , 这是一种稳定的旋涡流动 , 涡的强度随迎角而增大 , 涡的大小随着流动向后面逐渐增大 , 形成一条旋涡。
边条涡流经机翼表面 , 对机翼上表面的流动产生影响。受旋涡高速旋转气流的影响 , 旋涡下面的机翼表面流速增大、压力降低、升力增大。同时 , 强烈的旋涡也控制了机翼表面的侧向流动 , 增加附面层的能量 , 因而也有减轻机翼气流分离的作用 , 对增 加升力和降低阻力都有好处。
在低速和跨、超声速时，边条在大迎角的增升作用除了边条本身的升力以外 , 主要是边条涡提高机翼的吸力，增加机翼外翼区附面层的能量 , 缓和机翼的分离。边条涡与机翼涡的相互干扰增加了涡系的强度 , 推迟涡的破裂 , 进一步提高边条在大迎角时的增升效果！
3、前缘涡襟翼：涡襟翼有三种类型 : 一 是下表面涡襟翼 , 二是上表面涡襟翼 , 三是翼顶涡襟翼下表面的涡襟翼有四种：折叠式、下垂式、双折式和空腔式。 研究比较成熟的是折叠式和下垂式。 它们在飞机上也容易实现。 折叠式适用于圆头翼型 , 襟翼打开后还增大了机翼面积 ,下垂式适用于尖前缘翼型 , 其收放形式与普通的前缘襟翼相同。
上表面涡襟翼有两种 : 一种是绞链线在机翼前缘 , 它适合于圆头机翼 ; 另一种是绞链线在机翼前缘之后的上表面 , 襟翼迎风打开 , 翼顶襟翼的上偏在小迎角时产生旋涡并产生涡升力 ,为平衡它的抬头力矩 , 重心后的操纵面要产生升力来配平 , 因此增大全机升力。一般来说 , 下表面涡襟翼在亚、跨声速 α> 10°～15°时有明显的减阻作用 , 对改善机动性有好处 , 而上表面涡襟翼和普通襟翼在小迎角时有明显的增升作用。
涡襟翼的作用取决于旋涡作用在前倾的襟翼表面上产生的推力分量 , 因而襟翼的形状和大小显然对涡襟翼的效率有影响。加大弦长和延长展长的襟翼前缘涡位置外移 , 涡的强度提高 , 提高了襟翼表面的吸力 , 全展长襟翼更为明显。
4、吹气控制：吹气控制是一种旋涡控制的方法 , 有吹气边条和展向吹气两种 , 在机翼前部的机身两侧 , 通过一排小孔的喷气形成一个喷流面 , 它与 来流 作用在机翼上表面形成旋涡 ,可以起到机翼边条的类似作用！
（1）机翼展向吹气：对于高机动性战斗机常用的中等后掠角和中等展弦比的机翼 , 气流从机翼上分离形成紊流 , 最多只能形成低强度的不稳定的旋涡 , 得不到细长机翼或边条翼的涡升力 , 影响机动性的提高。 在机翼上沿展向吹气 , 可以使分离的气流形成稳定得旋涡 , 得到与边条机翼和细长机翼类似的涡升力及其相关的优点。
（2）后缘襟翼展向吹气：后缘襟翼的增升能力受襟翼偏度引起气流分离的限制 , 在襟翼前缘展向吹气增加附面层的能量 , 可以使用较大的襟翼偏度而不致引起分离。用这种方法提高襟翼效率是现代战斗机已经普遍采用的方法。 如美国的 F-4 和 俄罗斯米格-21战斗机等。襟翼展向吹气需要在机翼上沿襟翼前缘铺设管道 , 实现较为复杂。因此提出后缘襟翼展向吹气的办法 , 与机翼展向吹气类似 , 在机翼后部的上表面沿襟翼前缘方向展向吹气 , 喷嘴设在机身侧面 , 展向吹气增加机翼上表面附面层的能量 , 与 弦向吹气有类似的效果 , 可以增加偏度而不引起分离。
鸭式布局，边条翼，吹气控制等等措施的采用是人们利用旋涡空气动力学的典范。是成功的利用旋涡对飞机的有利干扰，增强漩涡强度和提高附面层能量的非常有效的手段。除此之外，还有机身边条机头边条，以及机身侧板技术等等。这一系列的看似很小的改进，却能把飞机的性能不断推向新的更高的层次。
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