飛機的氣動佈局

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王子 | 2011-1-28 20:30:09

1樓

飛機的氣動佈局

氣動佈局形式是氣動佈局設計中首先需要考慮的問題。目前飛機設計中主要採用的包括以下幾種：
正常佈局；
鴨式佈局；
變後掠佈局；
三翼面佈局；
無平尾佈局；
無垂尾佈局；
飛翼佈局。

正常佈局是迄今為止被使用最多的一種佈局形式，目前仍然被應用於各類飛機之上。鴨式佈局在早期未能得到足夠的重視，但隨著超音速時代的來臨，鴨式佈局的優點逐漸為人們所認識。目前廣泛應用於戰鬥機之上的近距鴨式佈局利用鴨翼與機翼的前緣分離渦之間相互有利干擾使渦系更加穩定，推遲了渦的破裂，為大迎角飛行提供了足夠的渦升力，顯著的提高了戰鬥機的機動性。此外，採用ACT和靜不穩定的鴨式佈局的優點則更
為突出。

變後掠佈局較好的兼顧了飛機分別在高速和低速狀態下對氣動外形的要求，在六七十年代曾得到廣泛應用，但由於變後掠結構所帶來的結構複雜性、結構重量的激增，再加上其它一些更為簡單有效的協調飛機高低速之間矛盾的措施的使用，在新發展的飛機中實際上已經很少有採用這種佈局形式的例子了。

三翼面佈局形式可以說最早出現在六十年代初，米高揚設計局由米格-21改型而得的Е-6Т3和Е-8試驗機。三翼面的採用使得飛機機動性得到提高，而且宜於實現直接力控制達到對飛行軌跡的精確控制，同時使飛機在載荷分配上也更趨合理。

無平尾、無垂尾和飛翼佈局也可以統稱為無尾佈局。對於無平尾佈局，其基本優點為：超音速阻力小和飛機中兩較輕，但其起降性能及其它一些性能不佳，總之以常規觀點而言，無尾佈局不能算是一種理想的選擇。然而，隨著隱身成為現代軍用飛機的主要要求之一以及新一代戰鬥機對超音速巡航能力的要求，使得無尾——特別是無垂尾形式的戰鬥機方案越來越受到更多的重視。

對於一架戰鬥機而言，實現無尾佈局將帶來諸多優點。首先是飛機重量顯著減少；其次，因為取消尾部使全機質量更趨合理地沿機翼翼展分佈，從而可以減小機翼彎曲載荷，使結構重量進一步減輕；另外，尾翼的取消可以明顯減小飛機的氣動阻力，同常規佈局相比，其型阻可減小60%以上；不言而喻，取消尾翼之後將使飛機的目標特徵尺寸大為減小，隱身性能得到極大提高；最後尾翼的取消同時減少了操縱面、作動器和液壓系統，從而也改善了維修性和具有了更低的全壽命週期成本。

在有垂尾的常規飛機上，垂尾的作用是提供偏航/滾轉穩定性，尤其是偏航穩定性，此外垂尾的方向舵還參與飛機的偏航控制。取消垂尾之後，飛機將變為航向靜不穩定，同時喪失偏航控制能力。採用放寬靜穩技術之後，無垂尾飛機可以是航向靜不穩的，但不能是不可控的。針對這一問題可以採用推力矢量技術加以解決。推力矢量技術作為新一代戰鬥機高機動性的主要動力目前已經得到了較為完善的發展，大量實驗都證明，在無垂尾的情況下，推力矢量具有足夠有效的操縱功能。

一個不容忽視的問題是，推力矢量系統發生故障或者在作戰中受傷後飛機如何操縱。在最低的要求下，推力矢量系統失效後飛機至少還應具有安全返航的能力，因此無垂尾飛機的平飛、不太劇烈的轉彎機動以及著陸所需的偏航控制能力應該能夠由氣動力控制來滿足。作為無尾飛機的余度保險操縱方式之一的是與傳統機翼設計方法完全不同的所謂「主動氣動彈性機翼」（AAW）。在傳統機翼設計中，一般都要保證剛度以使機翼變形最小，而AAW利用機翼的柔度作為一種對飛機進行操縱的方式，它通過使整個機翼發生一定的變形而得到操縱飛機所需的氣動力。通常規舵面相比，AAW具有效率高而翼面變形小的特點。除了AAW技術之外，還有其它一些傳統非傳統的氣動操縱方式也可以推力矢量系統的余度保險和補充。它們包括開裂式副翼、機翼擾流板、全動翼梢、差動前翼、非對稱機頭邊條、擾流片-開縫-折流板（SSD）、前緣襟翼等等。

無論是採用AAW還是採用氣動操縱面的方式，無尾飛機都需要有全新的飛行控制律。無尾飛機在縱向和航向都將是靜不穩定的，這就要求飛機上的各類操縱裝置共同協作產生所需的各種力和力矩，各操縱裝置還將存在各種線性或非線性的相互干擾，使得控制律變得相當複雜。此外在部分操縱裝置失效的情況下，剩下的操縱裝置需要實時重新構型，並且需要實時地採用新的控制律，即所謂「重構系統」。這些都是無尾飛機設計中需要加以解決的問題。