聊聊鴨式佈局上艦的問題_風聞

（下面轉2015年在超大軍事論壇寫的東西，供大家參考）

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

以前我個人也設想J-20上艦，畢竟國內四代機就J-20和鶻鷹，也提出過減小機翼後掠角和擴大翼展的想法，但是那個想法也就是想想，沒有從氣動角度去考慮到底是否可行。這兩天看到了J-20H艦載機的圖，也和草根聊別的事情的時候草根提到他也參與討論過這個J-20H，所以就着這個話題聊聊鴨式佈局飛機到底該如何上艦。我們先看一下已經上艦的陣風采取的上艦措施：毫無疑問不少軍迷知道陣風M和陣風陸基版在氣動上沒有太大區別，陣風M主要是加強了起落架並讓前起落架升高，陣風M是靠大迎角着艦，陣風M的襟副翼放下角度並不大。為何陣風會選擇增大迎角上艦而不是讓襟翼放下角度更大着艦，這是因為鴨式佈局的襟翼還要起到俯仰操縱作用，注意看下面陣風彈射起飛時襟副翼是向上偏轉來提供抬頭力矩，以便陣風離開甲板後能夠快速抬頭以一定仰角爬升。陣風選擇較大迎角着艦更根本的原因是鴨式佈局需要一定的迎角可以讓鴨翼渦和機翼渦來進行耦合，這樣耦合增升效果顯著，加上機翼本身在較大迎角時能夠提供更大升力，所以陣風的着艦速度並不高。類似的颱風後來也有上艦計劃，颱風上艦主要是英國BAE公司在看到F-35項目拖延時想鑽空子忽悠英國本國去買，其上艦降低着艦速度的策略和陣風相同，只不過颱風的下視線沒有陣風大，而座艙高度卻不容易抬高，所以曾經有過利用潛望或者攝像頭來幫助着艦的想法，具體示意圖如下：還有一個鴨式佈局且是四代機的就是諾斯羅普和麥道提出的利用YF-23技術開發的NATF-23，注意是利用YF-23的技術，NATF-23在氣動上和YF-23的差別可以説是天翻地覆，具體NATF-23的圖如下：從上面圖來看，NATF-23只是少量採用了YF-23的東西，整個飛機基本是全新設計：除機頭和機翼形狀和YF-23比較類似，其他很多東西都與YF-23不同，就是機翼面積也增加了不少，目前根據找到的一些帶比例尺的圖上測大約是14.4-14.6米，這比YF-23的13米多點要增加不少；NATF的機身加寬，腹部容納兩個並列的彈艙；進氣道不再是類似YF-23那樣的倒梯形進氣道，而是採用了帶點鼓包或者調節錐的進氣道；發動機採用窄間距，進氣道水平面上的完全程度更大；採用了全動垂尾，但垂尾面積相當大；鴨翼基本也是類似機翼的前緣後掠後緣前掠，鴨翼是傾斜安裝而不是像J-20是鴨翼帶上反角，子所以傾斜安裝似乎並非是像J-20鴨翼安裝位置和機翼在一個平面而需要上反讓鴨翼渦在機翼上面，更像是為了讓鴨翼轉動時不要和機身側面碰撞，其轉軸不是水平的，而J-20的轉軸可能是水平的。基本上NATF-23的機翼後掠角和YF-23相同，應該是40°的樣子，後掠角40°的機翼還有鴨式佈局的渦增升作用麼？根據方寶瑞書中的説法，40°機翼本身很難在機翼前緣產生渦，所以幾乎沒有渦的耦合作用，在大迎角時鴨翼也能產生增升作用，其解釋的原因是大迎角時鴨翼對機翼的下洗改善了機翼的氣流分離情況從而增升，這個增升作用在後來宋老的《小展弦比》論文中提到鴨翼對45°後掠角機翼的增升作用時也有提及。在方寶瑞書中提到大約在迎角到15°以上能夠體現出鴨翼對機翼產生有利干擾來增升。當然不能説NATF-23的鴨翼就不會產生渦，但這個渦的作用多大可能是個問題。另外我們注意NATF-23的鴨翼翼稍距離機翼距離相當大，這和典型的鴨式佈局讓鴨翼距離機翼不要太遠來讓渦耦合的思路是有一定區別的。那麼NATF-23是不是就沒有渦增升的措施了？其實NATF-23還是有渦增升措施，就是利用扁平的前機身稜邊來起到邊條的作用，這個思路在YF-23上就用過。NATF-23的機身相比YF-23加寬了，這讓左右兩邊的渦的距離有所加大，但是NATF-23比YF-23多了垂尾，垂尾就要考慮避免渦的衝擊，所以NATF-23採用了窄間距發動機來讓垂尾間距較小，避開渦的衝擊，這樣一來發動機間距也就得小，這或許就是NATF-23採用窄間距發動機佈局的原因。那麼NATF-23到底靠什麼來增升降低着艦速度？個人認為可能還是通過增大着艦迎角的方法來增升，因為NATF-23的機身大大縮短，擦地角增大，而NATF-23的下視線本身也比較大，有增大迎角的條件。當迎角增大後，前機身產生的渦就可以掃過機翼，鴨翼的下洗作用也增加了部分升力，加上面積很大的機翼在大迎角下的高升力，由此來降低着艦速度。那麼我們回頭看J-20H的設想，其主要的變化是減小了機翼後掠角增加了翼展，機翼前移並縮短了機身，為了隱形的平行關係鴨翼也做了適當調整，為了平衡機翼面積增加也適當增加了鴨翼面積，同時縮小了機翼和鴨翼之間的邊條長度，邊條的後掠角也變小了，另外還調整了全動垂尾的大小和腹鰭的大小，調整了起落架位置和升高了座艙。這些變化中，對於氣動影響最大的可能就是機翼後掠角的變化和邊條被縮小並改變後掠角，根據2002年北航的《大迎角下鴨翼渦與邊條渦的干擾特性》論文中提到50°機翼本身的渦比較弱，但是通過鴨翼渦和邊條渦以及機翼渦的相互作用使得渦強度提升，從而提高了升力。目前看J-20的機翼後掠角大約48°，可以説都在上述論文討論的鴨翼渦、邊條渦和機翼渦相互影響範疇。那麼機翼後掠角改為40°後機翼很難出現繞過前緣的渦，而邊條產生渦主要看邊條面積和邊條的後掠角，因為邊條產生渦的條件是讓氣流從邊條下繞過邊條邊緣到上面形成脱體渦，窄的且後掠角大的邊條可以讓渦更容易繞過邊條，而邊條面積越大繞過邊條的氣流越多渦強度越大。現在這樣調整的結果會削弱邊條渦，另外鴨翼翼展的增加也會讓鴨翼渦更靠外，這樣邊條渦和鴨翼渦的相互耦合作用是否還存在是否還在理想距離都是問題，這改變了整個氣動佈局中的大迎角飛行特性，對起降影響或許不大，但對作戰盤旋等會有影響。在起降方面，根據方寶瑞書中的説法通常邊條迎角大於9°才會有效果，而鴨翼要大於12°才能與機翼渦有更強的耦合，即便不耦合要讓鴨翼的對機翼的下洗降低升力變成下洗改善機翼表面流動增升也得12°以上，一般起降時候迎角達不到12°這樣的程度，鴨翼這個時候主要起到配平的作用，主要升力還是要靠機翼來提供，那麼設想的J-20H增大襟翼是否就能大幅度增加升力？其實前面陣風上艦的圖就能看出，鴨式佈局飛機的襟副翼要起到俯仰和滾轉操縱作用，壓實佈局飛機的襟副翼距離重心距離比鴨翼更遠，而鴨翼面積通常比尾翼要小，這樣襟副翼偏轉幅度大後鴨翼通常難以去配平，另外襟副翼本身要起到操縱作用，不能將襟副翼放下到最大角度來增升，因為到那個時候襟副翼就沒有操縱的餘地，而鴨翼雖然也能起到配平作用但鴨翼的配平會影響到機翼的升力，鴨翼的配平主要體現在大的飛行姿態下的配平，而在小的操縱姿態上的調整還得靠襟副翼實現。綜合這些來看，襟副翼面積增大帶來的增升效果可能沒有想象的那麼大，最好還是增大着艦迎角。從J-20H的設想上來看，起落架升高和升高座艙對增大着艦迎角是有好處的，減小腹鰭估計也是為了加大擦地角，這個或許是最有利的提高升力的措施。不過根據方寶瑞書中所提座艙提供的阻力能夠佔到全機阻力的9%左右，所以如果綜合優化恐怕還得結合機頭設計一起調整。其實氣動上都發生這麼大變化，機頭做調整也沒什麼。整個氣動做了上述調整後，還有一個疑問是如何保證能夠達到1.4馬赫的超巡，要知道縮短機長、減小後掠角、增加翼展、升高座艙都是增加了超音速阻力。其實就老美的NATF項目來説，美海軍沒有提空軍所説的超巡的要求。從總體上來説，整個氣動的變化非常大的，尤其是邊條被縮小、機翼後掠角變化直接的結果就是原有的鴨翼渦、邊條渦和一定的機翼渦耦合被弱化，大迎角性能是否還能保證是個問題。既然如此，這裏提個建議，還不如把機翼改成雙三角翼，內側機翼後掠角加大到60°，外側機翼還是40°，這樣讓內側機翼可以產生機翼渦可以和鴨翼渦耦合，同時雙三角翼本身增加了機翼面積，對小迎角增升也有好處，對改善機身截面積過渡也有好處。而在大迎角方面，看看是否可以利用601所在三翼面解決大迎角時的策略看看是否可以改善大迎角性能。最後，鴨式佈局的氣動調整相對常規佈局來説，無論動鴨翼還是動機翼，都對原有的氣動耦合關係進行了改變，鴨翼和機翼相互之間的關係就得重新調整，而這個調整恐怕不是軍迷能夠説到底選擇什麼樣的參數是合適的，至少應該用計算流體力學去算一算，實際上真正做項目還應該去風洞去吹風，包括起降性能、大迎角和超音速等都得吹風后確定。在結構上，結構設計很多東西無法沿用現有設計，也得重新做，甚至關於強度試驗也得如此。那麼最後能夠通用的就是電子設備、發動機和部分機載設備。可以説幾乎相當於全新設計了。在資金層面，按照F-35C相比F-35A要高不少的價格，估計這樣的J-20H的價格也會比J-20本身要貴不少。我們海軍目前正處在大規模建設期，核潛艇、新航母、大驅等都需要花錢，真的難説有多少錢能夠支撐這樣的項目達成。如果J-20能夠像陣風M那樣改動較少，那麼相應的成本還可以降低，不過就目前看J-20設計思路並未有向上艦方面傾斜，所以J-20上艦，恐怕得有更多創新的思路來去解決。個人以前YY過一些J-20如何改上艦的思路，實際上本身我自己都知道是瞎想，真正如何改可能還要看611所有什麼高招了。根據目前一些傳言，似乎海軍更傾向小一點飛機上艦，因為基於J-20改動量大且最後成本高的話，小一點飛機多少在研製、採購和使用上多少都能省點錢，所以艦載機最終採用什麼方案，是個包括技術、資金等的綜合考量的結果，大家對出現任何一種可能出現的情況都不要感到意外，軍迷畢竟不是軍方，不瞭解軍方實際面臨的難處。