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“鸭式”气动布局的优缺点?

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“鸭式”气动布局的优缺点?

请介绍一下“鸭式”气动布局的优缺点。

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  • 2019-02-18 17:44:01
      鸭式布局战斗机有些什么特点,其气动特性又如何呢?
    高低速性能好
    采用后尾式和无尾式气动布局的普通高速飞机,由于种种原因,其低速性能往往不佳。而鸭式布局则可以满足战斗机对高、低速。性能的要求。因为这种布局能很好地兼顾高速飞机所需的细长体外形和飞机实现短距起落所需的高配平升力系数。
      这是因为:一方面,细长鸭式布局在由亚声速过渡到超声速时,其焦点移动而引起的安定度增量比后尾式要小,这对高速机动飞行是有利的。另一方面,在大迎角进场或飞行时,它又能产生比后尾式和无尾式飞机高得多的配平升力。这说明它亦适合低速飞行。 中国空军歼10战机鸭式布局清晰可见 配平升力高 图一是静安定度的后尾式、无尾式和鸭式飞机纵向配平方式的示意图。
      飞机在空中做定常水平飞行时,其重力与升力,推力和阻力是相等的,全机力矩也是平衡的。为获得配平力歼一10A用的鸭式布局方案虽然在中国早期歼一9概念中曾有过体现,但其中涉及的诸多技术问题是在歼一lO上获得了最终的完美解决刘应华摄矩,无尾式及后尾式飞机需要付出一定的升力代价。
      在飞行中,机翼的升力Y及全机零升力矩Mzo对飞机重心要产生一个低头力矩。为平衡这个力矩,无尾式飞机要上偏升降襟翼,后尾式飞机要上偏转升降舵,以便产生一个负升力去配平,致使全机升力下降。当然,小迎角飞行时平尾的负荷不大,它付出的升力代价也很小。
      但是当飞机以大迎角飞行,并采取增升措施时(例如放襟翼)形势就恶化了。因为增升时会带来很大的附加低头力矩。为配平这些附加力矩,平尾后缘必须上偏很大的角度,这将使增升效果显著降抵。倘若机翼采用高度增升的方法。有时连配平都很困难了,只好在平尾上采取高度增加负升力的措施。
      国外不乏这方面的例子。美国的F一4飞机由于在后缘襟翼上采取了附面层控制技术,使低头力矩增加很多,结果尾翼在配平时已接近失速,只好对平尾进行修改,使前缘上翘,将翼型变为反弯度的。而日本的PS一1水上飞机则是在尾翼下表面吹气以增加负升力。后尾式布局尚且如此,无尾式飞机配平高升力就更困难了。
       相比之下,鸭式布局比后尾式及无尾式布局优越之处在于:其抬头俯仰力矩可由飞机重心前的正升力面(鸭翼)提供。这真是一举两得:既提供了配平力矩,又增加了升力。那么为什么以前人们很少采用鸭式布局呢?这是因为常规的鸭式飞机有三大缺点:(1)前翼对主翼存在着强烈的下洗,使主翼升力降低。
      尽管前翼的升力是正的,弥补了部分升力损失,但配平时的总升力不见得比后尾式高很多。(2)鸭式布局配平问题不好解决。一般情况下。鸭翼的负荷要比尾翼大,往往为尾翼的3~4倍。因为把鸭翼放到前面,全机焦点随之前移,重心也需向前调整。这样鸭翼离重心的位置近,力臂短,使它的配平能力受到限制。
      再加上主翼对前翼有上洗,在大迎角时前翼容易先失速。这对起飞着陆和大迎角机动来说是不利的。直到上世纪60年代末瑞典人研制成功Saab一37飞机后,这些缺点才得到了一定程度的克服。作为M数为2一级的飞机,Saab一37没有采用复杂的增升措施就使起降距离缩短N400多米,达到了短距起落的要求。
      这一成就引起了国际上的广泛注意。Saab一37采用的是近距耦合鸭式布局,利用前后翼间脱体涡的有利干扰实现了高升力。(3)由于脱体涡在主翼面上的生成、发展、破裂和漂移对飞机的升力和纵横向的力矩特性影响很大,使得纵向力矩曲线出现极严重的非线性化,并导致了飞机的操稳品质变差。
      为了解决这一问题,常规鸭式布局飞机不得不增大飞机的安定度,以求得纵向力矩曲线变得较直。这样一来,飞机的配平阻力增大,前翼的配平能力减小,导致飞机的机动性和起降性能变差。 解决的办法之一是采用电传操纵系统,放宽静稳定性。 图中虚线代表总升力而点划线全表位流升力,两条线的差别就是理论涡升力。
       由于有了涡升力,三角翼的升力线斜率和最大升力系数等均大大提高。如果把大后掠角的鸭翼和主翼近距耦合配置,便会产生有利干扰,而脱体涡的效率会更高,涡升力也更大 利用脱体涡获得高升力 人们通过实验发现:45度以上的大后掠角薄翼在迎角很小时,气流就从前缘分离,并卷成一脱体旋涡。
      此脱体涡的涡心压力很低,由于上下压力差的作用,使得翼面的升力有所提高。我们知道,三角翼总升力等于位流升力和涡升力之和。 位流升力是根据位流理论计算出来的升力。图二中虚线代表总升力,而点划线代表位流升力(圆圈为实验点),两条线的差别就是理论涡升力。
      可见,由于有了涡升力,三角翼的升力线斜率和最大升力系数等均大大提高。如果把大后掠角的鸭翼和主翼近距耦合配置,便会产生有利干扰,而脱体涡的效率会更高,涡升力也更大(图三)。当鸭翼置于主翼的前上方时,前翼脱体涡因进入了主翼上表面的低压区而有利于涡心的稳定,延迟了旋涡的破裂并提高了前翼的失速迎角。
      此外,前翼脱体涡不但在前翼上诱导出涡升力,而且它在扫过主翼上表面时也给主翼诱导出一个涡升力。前翼涡的存在还有助于控制在主翼上形成的前缘涡,而延迟了主翼的失速。由于主翼一方面受到前翼的下洗(内翼段),另一方面也受到前翼的上洗(外翼段),所以使总的下洗量减轻。
      由于这些有利干扰的存在,近距耦合鸭式飞机在大迎角时升力较高,而失速迎角也较大(可达30度以上,而普通后尾式飞机的失速迎角只有十几度)。这对于扩大飞机的机动飞行范围和改善高速飞机的起降性能都具有重要意义。 在前后翼的相互干扰中,除了前翼对主翼的下洗为不利干扰外,其它均为有利干扰,这就使得近距耦合鸭式飞机比相同翼面积的普通鸭式飞机的升力大很多。
      在起飞状态下,近距耦合鸭式飞机可比无尾三角翼飞机的升力系数高出一倍! 当然,由于下洗的干扰量很大,在小迎角时有利干扰还不足以抵消不利干扰。即便是这样,在小迎角时,近距耦合鸭式飞机的最大升阻比已相当于同级后尾式飞机了。随着迎角的增大,有利干扰量逐渐大于不利干扰量。
      当迎角达到16度左右时,近距耦合鸭式飞机的有利干扰便超过了不利干扰,其全机升力系数已高于单独前翼与单独主翼升力系数之和,这是普通后尾式飞机所不能及的。因为对后尾式飞机来说。也存在主翼对尾翼的下洗问题,而且此不利干扰还随迎角的增大而增大。即使让尾翼也产生正升力,它的全机升力系数也始终低于两个单独翼面的升力系数之和。
       擦地角大 鸭式布局的飞机还有一个优点:由于主翼在后面,机身尾部短,擦地角(机尾触地的角度,由主轮和尾喷口之间的连线与地面水平线之间的夹角确定)可以设计得比较大,这有利于飞机以较高的迎角(14度~18度)起降。而普通后尾式飞机的后机身较长,擦地角往往只有8度、9度。
       近距耦合鸭式飞机也还存在着缺点:配平困难的矛盾没有得到根本的解决,这就大大地限制了它的使用范围和性能的发挥。为了克服此矛盾,国内外的飞机设计部门采取了一系列技术。例如采用展向吹气或弦向吹气的方法提高前翼的配平能力;或者采用电传操纵系统和主动技术放宽飞机的静安定余度,把前翼从沉重的负担中解放出来,并且利用前翼和主翼动翼面的协调动作去实现直接升力和直接侧力控制。
      “阵风”和“台风”及JAS 39等新一代采用鸭式气动布局的战斗机均装有电传操纵系统,可以实现主动控制,所以它比Saab-37更前进了一步,气动性能也大幅度提高。 新型鸭式飞机已经在上世纪90年代崭露头角,而且在气动上它们还大有潜力可挖。可以预言,随着二元喷口、复合材料、前掠、动力增升以及主动控制等新技术的应用,鸭式飞机的性能将会有更大的提高。
       飞机研制是一个复杂的系统工程,涉及到气动、结构、材料、电子、机械、动力装置等方方面面的学科,需要在研制的过程中不断地进行综合权衡,不断地解决出现的新问题,历经多年才能完成一个研制周期。可以说,现代飞机尤其是先进的战斗机是代表一个国家技术水平的典型产品,是一个时代的科技结晶。
       新机设计的第一项工作是根据军方的战术技术指标要求,给出所要研制的飞机的推重比和翼载荷。有了推重比和翼载荷这两个参数,飞机的大小、尺寸、动力装置、翼面积等便大致确定了。接下来遇到的第一个问题便是:为满足速度、高度、航程、载弹量等主要要求,应选择什么样的气动布局,采用什么样的主翼。
      然后,对几种候选方案进行数值计算和一系列的风洞选型实验,直至确定出一个最理想的基本外形。在随后的一段时间内,仍需对该方案进行不断的修改、完善,直至飞机上天。在飞机试飞阶段,根据实际飞行的情况,再作一些必要的改进。可以说,飞机的气动设计工作贯穿新机研制工作的始终。
      而最关键的技术决策,是对飞机气动布局和基本外形的选择。因为它关系到后面的一系列开发工作和巨额投资。 什么是飞机的气动布局?气动布局通常是指其不同的气动力承受面的形式。整个承力面系统特性决定了各承力面之间的相互位置以及各承力面的相对尺寸和形状。
       按辅助翼面与机翼相对位置的不同,有以下几种气动布局形式: A。“常规”式(即后尾式),水平尾翼(安定面)在机翼的后面; B。“鸭”式,水平前翼(安定面)在机翼的前面; C“无尾”式或“飞翼”式,飞机只有一个主承力面; D:“三翼面”式,在机翼的前面和后面各有一个辅助翼面; E。
      “串列”式,前后两个机翼的翼展、面积一样大,或接近。 从莱特兄弟的第一架飞机升空到现在,飞机的气动布局主要就是以上这几种。 任何一种气动布局都有其长处,也有其不足。飞机设计师的任务就是,尽可能地发挥所选布局的优点,缩小它们的缺点。世界上新一代战斗机之所以大部分都采用了鸭式气动布局,自然有其道理。
      因为通过几十年的努力,采用该布局的飞机在气动上的优势已大大扩展,而弱点则得到了一定程度的克服。在主要的气动特性方面,鸭式布局飞机已取得了非常明显的进步。 。

    阿***

    2019-02-18 17:44:01

其他答案

    2019-02-18 17:42:38
  •   鸭式是我们飞机的布局一种,没有哪一种气动布局,完全占统治地位,各个集团和国家传统的习惯,从现在看,比较起来看,鸭式布局突出的优点特别多一点,首先本身升值特征要好一些,飞机做机动的话,多面要操纵,产生副升力,使整个的升力减少。但是鸭垂机一面的操纵面也同时产生,使整个的正面加大。
      这方面的优势是很大的。我们过去做了很多的工作,现在我们掌握了一些鸭翼和主翼配制的观念,特别是前面的鸭翼对主翼产生有力的干扰,形成窝的话,使整个的升力加大,这也伴随着整个科学发展,整个手段的提高,有可能做到这个程度,应该来说,鸭式驱动布局是比较好的布局。
       歼一10战斗机采用了鸭式气动布局,这在我国研制成功的战斗机中还是首次。在世界战斗机的大家庭中,有一些比较先进的战斗机也采用了类似的布局,如瑞典的Saab一37“雷”、JAS 39,法国的“幻影”ⅢNG、“幻影”4000、“阵风”,以色列的“幼狮”C2、“狮”,俄罗斯的米格1。
      44以及西欧四国合作研制的EF2000“台风”等等。随着航空技术的深入发展,新型鸭式战斗机方案不断出现,并跻身先进战斗机的行列。那么,鸭式布局战斗机有些什么特点,其气动特性又如何呢?   高低速性能好   采用后尾式和无尾式气动布局的普通高速飞机,由于种种原因,其低速性能往往不佳。
      而鸭式布局则可以满足战斗机对高、低速。性能的要求。因为这种布局能很好地兼顾高速飞机所需的细长体外形和飞机实现短距起落所需的高配平升力系数。这是因为:一方面,细长鸭式布局在由亚声速过渡到超声速时,其焦点移动而引起的安定度增量比后尾式要小,这对高速机动飞行是有利的。
      另一方面,在大迎角进场或飞行时,它又能产生比后尾式和无尾式飞机高得多的配平升力。这说明它亦适合低速飞行。   配平升力高   图一是静安定度的后尾式、无尾式和鸭式飞机纵向配平方式的示意图。飞机在空中做定常水平飞行时,其重力与升力,推力和阻力是相等的,全机力矩也是平衡的。
      为获得配平力歼一10A用的鸭式布局方案虽然在中国早期歼一9概念中曾有过体现,但其中涉及的诸多技术问题是在歼一lO上获得了最终的完美解决刘应华摄矩,无尾式及后尾式飞机需要付出一定的升力代价。在飞行中,机翼的升力Y及全机零升力矩Mzo对飞机重心要产生一个低头力矩。
      为平衡这个力矩,无尾式飞机要上偏升降襟翼,后尾式飞机要上偏转升降舵,以便产生一个负升力去配平,致使全机升力下降。当然,小迎角飞行时平尾的负荷不大,它付出的升力代价也很小。但是当飞机以大迎角飞行,并采取增升措施时(例如放襟翼)形势就恶化了。因为增升时会带来很大的附加低头力矩。
      为配平这些附加力矩,平尾后缘必须上偏很大的角度,这将使增升效果显著降抵。倘若机翼采用高度增升的方法。有时连配平都很困难了,只好在平尾上采取高度增加负升力的措施。国外不乏这方面的例子。美国的F一4飞机由于在后缘襟翼上采取了附面层控制技术,使低头力矩增加很多,结果尾翼在配平时已接近失速,只好对平尾进行修改,使前缘上翘,将翼型变为反弯度的。
      而日本的PS一1水上飞机则是在尾翼下表面吹气以增加负升力。后尾式布局尚且如此,无尾式飞机配平高升力就更困难了。   相比之下,鸭式布局比后尾式及无尾式布局优越之处在于:其抬头俯仰力矩可由飞机重心前的正升力面(鸭翼)提供。这真是一举两得:既提供了配平力矩,又增加了升力。
      那么为什么以前人们很少采用鸭式布局呢?这是因为常规的鸭式飞机有三大缺点:(1)前翼对主翼存在着强烈的下洗,使主翼升力降低。尽管前翼的升力是正的,弥补了部分升力损失,但配平时的总升力不见得比后尾式高很多。(2)鸭式布局配平问题不好解决。一般情况下。
      鸭翼的负荷要比尾翼大,往往为尾翼的3~4倍。因为把鸭翼放到前面,全机焦点随之前移,重心也需向前调整。这样鸭翼离重心的位置近,力臂短,使它的配平能力受到限制。再加上主翼对前翼有上洗,在大迎角时前翼容易先失速。这对起飞着陆和大迎角机动来说是不利的。
      直到上世纪60年代末瑞典人研制成功Saab一37飞机后,这些缺点才得到了一定程度的克服。作为M数为2一级的飞机,Saab一37没有采用复杂的增升措施就使起降距离缩短N400多米,达到了短距起落的要求。这一成就引起了国际上的广泛注意。Saab一37采用的是近距耦合鸭式布局,利用前后翼间脱体涡的有利干扰实现了高升力。
      (3)由于脱体涡在主翼面上的生成、发展、破裂和漂移对飞机的升力和纵横向的力矩特性影响很大,使得纵向力矩曲线出现极严重的非线性化,并导致了飞机的操稳品质变差。为了解决这一问题,常规鸭式布局飞机不得不增大飞机的安定度,以求得纵向力矩曲线变得较直。
      这样一来,飞机的配平阻力增大,前翼的配平能力减小,导致飞机的机动性和起降性能变差。   解决的办法之一是采用电传操纵系统,放宽静稳定性。 。

    蔡***

    2019-02-18 17:42:38

  • 2019-02-18 17:31:20
  • 不知道,发个图片儿,凑个热闹!

    我***

    2019-02-18 17:31:20

  • 2019-02-18 17:25:22
  •   优势明显
      鸭式气动布局给人最深的印象是能够提供更好的升力特性,它取消了负升力的平尾而得到了正升力的前翼。根据风洞试验数据,只需要将模型的平尾简单地移动到主翼前方就可以大幅度提高飞机的升力特性;如果对前翼的位置进行精心设计,则所得的气动贡献更是惊人。
      以以色列的"幼狮"战斗机为例,"幼狮"战斗机在原"幻影"5战斗机的气动布局上增装固定鸭翼将飞机的升力系数提高了40%~50%;升阻比也获得了很大的改善。瑞典的"萨伯"37战斗机在采用了带副翼的鸭翼后,庞大的战斗机获得了比许多轻型战斗机还好的短距起降性能。
         目前采用鸭式气动布局的战斗机中,无论是早期的"幼狮"、"萨伯"37。还是新一代的JAS39、"阵风"、EF2000、米格1.42和中国的新型多用途歼击机,这些机型的主翼翼形采用的都是三角翼。在鸭式气动布局战斗机上采用鸭翼加三角翼的总体设计可以在飞机的气动特性、结构和整体布局上获得许多优势。
      由于小展弦比的三角翼的翼根弦长很大,在机翼绝对厚度较大时却可以保持较小的相对厚度,对于减小超音速时的阻力非常有利。三角翼的机翼结构较轻而且有较大的内部容积,可以有效地增加飞机内部空间。   另外,这种布局形式可以使飞机更好地在机动性、敏捷性和超音速飞行性能之间得到平衡。
      鸭式气动布局的前翼拉出的涡流与机翼涡流共同作用,可以增加飞机的总升力,高升力有利于提高战斗机的瞬时转弯角速度,以及降低外侧机翼的载荷。目前所装备和发展的带有三角主翼的鸭式气动布局战斗机,基本上都是利用前置鸭翼所形成的有利干扰,在发挥三角翼气动优势和进行有效增升的前提下,降低三角翼本身气动弱点对飞机性能所造成的影响,以保证战斗机整体气动性能得到有效的提高。
         与同类机型带尾翼的常规布局飞机相比,鸭式气动布局的战斗机体积更小、重量更轻,结构设计更加紧凑。而更小的尺寸在理论上所代表是就是更低的成本,在保持整体战斗力相当的情况下获得小尺寸和低成本的战斗机,是世界各国飞机设计师所梦寐以求的,鸭式气动布局战斗机在一定程度上成为实现这一理想的有效途径。
       ◆美中不足   鸭式气动布局在获得高升力的同时还存在有高的俯仰力矩,这就使采用这种气动布局的战斗机需要较大的配平力矩才可以抑制飞机在大迎角下容易出现的上仰发散趋势。鸭翼距离飞机的重心近,配平力矩明显小于平尾,使飞机产生配平不足的问题。而鸭翼和主翼之间的气动干扰所形成的纵向力矩非线性的缺陷对鸭式气动布局的应用也有非常明显的限制作用。
      战斗机无论是采用近距离耦合还足远距离耦合的方式,鸭翼都会使飞机产生一个明显的上仰趋势,虽然这个上仰趋势可以通过放宽静安定度和采用变弯度机翼得以改善,但是这个上仰:的趋势在飞机迎角达到一定程度之后就将会对本已存在的整机配平问题带来更大的压力,采用鸭式气动布局的战斗机在没有推力矢量技术辅助的情况下,大迎角飞行性能要低于用平尾配平的常规布局飞机   鸭式气动布局飞机的鸭翼配平力臂一般情况下还不到正常后尾式的二分之一,即使对鸭翼和主翼进行精确的设计也很难弥补鸭翼配平力臂较短的缺陷。
      目前鸭翼的安装位置大都高于主翼,在形成有利的脱体涡的同时也对主翼产生了严重的气动干扰,鸭翼的增升作用越明显,鸭翼下洗流对主翼的气动影响就越大。   鸭式气动布局在配平和前、主翼气动干扰上所存在的问题,在很长一段时间里成为了限制其应用的主要因素。
      早期安装有鸭翼的"幼狮"、"幻影"5/50、歼-9、"萨伯"37战斗机的鸭翼都采用了固定翼面设计("萨伯"37鸭翼后的可动面是襟翼而不是副翼),在气动上的贡献与飞机边条的作用异曲同工,主要利用脱体涡对主翼形成的有利气动干扰来增加飞机的有效升力,飞机的俯仰控制还是依靠机翼后缘的翼面,鸭翼本身只是起到了一个涡流发生器的作用而不是以个有效的控制面。
      无法应用可动鸭翼是因为鸭式气动布局在纵向力矩非线性特点的影响下,对飞行控制所形成的影响是飞行员依靠自身的反应能力完全无法解决的。   鸭式气动布局在气动和控制上存在的困难只有在电传操纵系统和放宽静安定度技术成熟之后,才真正获得了突破,后两者成为了国外三代半战斗机普遍应用鸭式气动布局设计的技术基础。
         解决鸭式气动布局纵向力矩的非线性问题的方法,除了目前广泛应用的放宽静安定度和采用电传系统等技术外,国内、外也曾经开发过多种相对较简单的解决方式。通过在主翼外侧增装小翼和在鸭翼后方的机翼上方加装侧板的方式,可以在不改变主翼翼形和应用电传操纵系统的前提下,明显改善鸭式气动布局纵向力矩非线性的问题。
      在鸭式气动布局主翼外侧增装小翼的方案主要应用在小型民用飞机上,而以色列的"幼狮"和瑞典"萨伯"37式战斗机在主翼前缘外侧加装的锯齿结构也可以起到一定的效果。   国外在20多年前就已经提出在鸭式飞机主翼上方加装侧板的技术,并且进行了相当的试验,中国在早期研究"抬"式飞机设计的过程中也对侧板技术进行过研究,2002年在珠海航展上展出的采用侧板结构的CY-1型飞机的模型,可以说是将侧板与鸭翼结合的一个实际例子。
      布置在机翼上方适当位置的侧板确实可以在飞行控制上获得比较明显的改善效果,但是也会带来结构重量和阻力增加的问题,而且在目前连教练机都开始广泛配用电传操纵系统的情况下,使用机身侧板来拉直纵向力矩曲线的设计方式实际使用意义并不大。国外的研究机构虽然开始研究侧板技术的时间相当早,但是采用带侧板鸭式气动布局设计的机型目前也没有进行过实际应用。
      

    m***

    2019-02-18 17:25:22

  • 2019-02-18 17:17:58
  • 因为它是可上下动的矢量喷口,一样可以做到低速大迎角机动,同时机动能力更好。

    郑***

    2019-02-18 17:17:58

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