反驳下鸭式布局亚跨声速机动性较差的错误观点
此文为本人原发于知乎:https://zhuanlan.zhihu.com/p/617215240
有这么一种观点,认为鸭式布局超声速性能较好,但是亚跨声速机动性相比常规布局要差。真的是这样吗?
亚跨声速常规布局其实并不占优势,通常认为常规布局占亚声速持续机动性占一定优势是三代常规布局(F15/16/18、苏27/米格29)由于主翼后掠角较小(30-45度)以及展弦比大(3.0及以上),因此相对鸭式布局的大后掠三角翼布局(50-55度)而言诱导阻力小些。但实际上到了四代机大家都是小展弦比机翼(F22也只有2.36的展弦比,而歼十展弦比则是2.5,F35展弦比也只有2.68),然后通过加大飞机机翼面积降低翼载荷(除了F35是高翼载),然后充分利用涡升力增升和升力体的升力优势,实际上虽然小展弦比也有很强的亚声速机动性,只要推重比不拉胯就行,鸭式布局也是一样,只要翼载低同时高推比,亚跨声速性能也同样很优秀。
为什么这么说呢?先看下诱导阻力公式,式(7-4)是经典的诱导阻力公式,与展弦比成反比(一般三角翼展弦比较低),且与需用升力系数的平方成正比(由此可见翼载高的飞机诱导阻力也会更高)。
但式(7-4)只适用于小迎角小升力系数范围,中等及以上迎角时是不适用的,这时候需要用式(7-7)。



通常来说,鸭式布局由于大三角翼通常翼载都很低,因此做相同过载的机动需用升力系数低不少,因此虽然大三角翼升力系数斜率较低(鸭式布局的涡升力可以大幅提高中等以上迎角的升力系数斜率),但是由于需用升力系数低(例如歼10的机翼面积38平米是F16的136%,假设重量相等那么做等过载机动时需用升力系数只要达到F16的73%即可),因此需用迎角其实并不高,因此诱导阻力并没有很多人以为的那样会大很多。比较典型的例子,瞬盘很强的台风和歼十最大限制迎角其实只有24-26度(歼10后期型将可用迎角提升至了36度以提高大迎角性能),可用迎角其实和苏27/F16差不多,他们之所以瞬盘很强,主要得益于低翼载设计和鸭式布局本身并不差的升力系数斜率带来的高升力(升力面积大)。 人们通常用幻影2000和鹰狮瞬盘很好但是稳盘很差来举例鸭式布局稳盘很差,却往往都忽视了这两者推重比都非常之低(发动机太弱),这才是导致二者稳盘差的根本原因。另外幻影2000是60度后掠角的无尾三角翼布局,展弦比也更小,升力系数斜率比一般鸭式布局更低,因此对其稳盘更为不利些,但即便如此,幻影2000-5在海平面0.9马赫时其实也可以做9G稳盘(空机推重比约1.26,作为对比歼10A约为1.41),至于鹰狮,那纯粹就是推比太低的锅,鹰狮C空机推比只有1.14,到鹰狮E换发后也才达到了1.2多点。
某些人经常用印度MMCRA竞标中的实机测试情况来证明鸭式机稳盘不行,但是实际上结果其实恰恰证明鸭式布局稳盘其实也很不错,仅仅在低空稍稍低于优秀的常规布局。

就拿台风来说吧,起飞推重比1.11只比F16的1.09高了0.02而已(也可见F16E/F block60的推重比其实非常高,仅仅稍稍低于台风,绝非某些人说的F16E/F block60由于增重推比不如block50,所以block50稳盘更好之类的,不看人家什么发动机么?),而稳盘角速度16.2度比F16的16.5度仅仅低了0.3度,由此可见鸭式布局的稳盘劣势非常小,而瞬盘优势则要强很多。这其实还只是在低空对比的结果,由于高度越高,空气越稀薄对大机翼、翼载低的飞机越有利,因此到了中高空,台风/阵风的稳盘完全可以做到不亚于F16。这也是为什么意大利的台风飞行员说在3000米以下台风和F16机动性差不多,但是到3000米以上高度,台风怎么样都能摁死F16。同样,这也是为什么我以前说歼10只要推重比不弱,稳盘也不会比F16差多少的原因,尤其是在中高空,歼10完全有击败F16的能力。在低空时由于空气密度大,摩擦阻力占比较高,因此相对F16这类高翼载的飞机,翼载低的鸭式机会吃点亏(高海拔是空气稀薄,摩阻也即零阻占比总阻力比例减小、诱阻占比上升反而对F16这类高翼载的飞机更为不利)。
歼10的机翼 后掠角53度,展弦比2.5,其实比台风的翼展弦比更大,台风机翼后掠角53度,但展弦比只有2.2左右(为了加翼尖挂架机翼切尖降低了展弦比),因此理论上歼十的升力系数斜率要比台风还好一些。而且歼10的大复合扭转机翼本身诱导阻力就要小不少(改善了机翼升力的展向分布,使升力更多地集中在机翼内段)。


实际上早期YF22和歼20一样主翼都是后掠角48度展弦比2.2,如果后来没改的话我估计其亚跨声速性能还不如有鸭翼边条翼的歼20。不过F22由于评估发现超声速推力足够大,即使减小后掠角也能满足超巡需求,所以减小了机翼后掠角以尽可能提高些亚声速机动性。同样,苏57机翼后掠角也是48-49度,不过宽间距发动机布置增加了翼展,因此展弦比稍微大些,但实际上其外露机翼也一样是大后掠角小展弦比机翼,和歼20没什么区别。因此并不能认为常规布局亚跨声速更有优势,而且跨超声速鸭式布局零阻更低,实际跨声速还更占优势。
另外,大多数人认为亚声速性能较好的阵风也是48度后掠角,展弦比2.2,和歼20的机翼一样。只不过呢,阵风是小鸭翼小边条加双中推,而歼20是大鸭翼大边条加双大推。另外歼20有升力体机身和更多的涡系组合(机头涡、进气道唇口涡、菱边涡等),阵风则是常规的翼身融合布局。

所以,认为鸭式布局亚跨声速机动性一定就差绝对是种错误的观点,是对气动力和飞行机动理论缺乏深入理解的表现。