
单纯的鸭式布局和边条翼布局,比如典型的三代/三代半 、 和 、、 等,最大亚音速可用升力系数基本都达到了 1.5~1.6 间的水平,并通过放宽静稳定度获得了更高的亚音速升阻比和敏捷性。到了四代,或者现在流行说的五代机,由于强调超巡,在气动外形设计上要提高超音速升阻比,与强调亚跨音速机动性的设计存在显著矛盾,比如机翼后掠角、前缘尖劈半径、气动扭转要求、小展弦比超薄翼、进气道包括唇口设计、以及更大的静不稳定度(降低超音速配平阻力但可能导致增加亚音速配平阻力)等等。超音速段阻力重点是波阻,减小波阻对气动外形的要求比如加大后掠角、更尖锐的机翼前缘、小展弦比等,多数会降低亚音速气动性能,而单纯依靠鸭翼、边条和机翼变弯度措施已经不能完全解决这些问题,事实上这些手段的气动潜力在三代、三代半上已经接近用到了极致。另一方面五代机因为隐身因素武器内置和大油量要求,机体结构重量理论上会再度上升,如果要求亚音速机动性能不弱于三代半乃至具备超大迎角过失速机动能力的话,还需要寻找进一步提高可用升力系数的措施,于是人们想到了鸭翼加边条一起上。

HIMAT 计划是 NASA 和美国空军在机动性技术方面所作的大胆尝试,很多先进技术均是首次应用。然而 HIMAT 的鸭式布局也误导了很多人,让人误以为美国空军更青睐这种气动布局
鸭翼加边条概念布局的验证很早在美国 Himat 高机动验证机就有过尝试,国内在八五九五先进气动布局预研中对比鸭式和边条翼常规布局气动特性时,曾经为了延迟鸭翼失速获取更大可用迎角,提出给鸭翼前加小边条、涡流发生器或者上变弯度鸭翼等措施,实验取得较好效果,最大组合升力系数理论上接近了 1.8,但考虑鸭翼涡等对垂尾的吹袭不利于方向安定性,限制了实际可用迎角,因此只指出了气动潜力,并未实现最佳的鸭式布局方案,这些在方宝书里有论述,此处不再啰嗦。这本书没提到的是,后来北航再对鸭翼和带边条主翼的组合布局作了进一步的研究,在我说的这篇论文里对结论有精炼阐述,而且我也在想宋老论文中方案的提出和依据是否有可能也与这个研究有关(虽然不确定孰先孰后)。

F-35(液态流图)及 J-20 进气道边条拉涡
说黑丝的鸭翼前有一点要预先铺陈一下,在其进气道边缘前部有一段尖锐的小边条,从已经流传的一些照片显示这段小边条在一定迎角下可以拉出较强的边条涡(可以对比下 进气道边条拉涡的照片)。这个涡对控制鸭翼展向气流流动和延缓内段气流分离有正面作用,与正常的边条翼作用效果是一样的,只是尺寸缩小。鸭翼的最大失速角可以因此得到延迟,黑丝鸭翼本身的最大可用迎角和可用升力系数会高于无小边条的情况,这也符合方宝书中的论述。对这一点估计一般不会有什么疑问,问题出在鸭翼、主翼之间的尖拱边条上。
正常迎角下鸭翼后气流方向会有一定下洗角度,对近耦的主翼内段会造成降低当地迎角和升力的不利影响(因为这个原因一般鸭式布局战机鸭翼对应的机翼内段不设前缘襟翼,以避免负迎角过大造成负升力),这是常识。为方便理解鸭翼偏角及其后气流上下洗与飞机迎角、主翼当地迎角的关系,我简单画了几幅草图,时间有限未列举更多状态,见谅 。

四种状态下鸭翼后气流对主翼上下洗关系(未列全状态,仅举例)
当鸭翼实际迎角不为负时,位于其后的边条同主翼一样都处于下洗气流流场中,减小了边条的实际迎角。由于边条需要在一定迎角后才能有效拉涡,鸭翼的下洗气流显然会导致边条涡的产生被延迟,也就是说小迎角下不容易拉出涡,相应的飞机主翼在同一迎角下的可用涡升力也就有所延迟和减小;而鸭翼因为边条的存在和翼根同主翼共线的隐身要求,并没有放在鸭式近耦布局升力最佳的高于主翼面且紧邻(甚或小面积交叠,比如 Rafale)的理想位置,同时近耦情况下因主翼或边条前部气流上洗附带的鸭翼增升效果也基本消失;此外,鸭翼涡与边条涡同方向旋转,两涡相遇时交界面的气流运动反向正好相反,会否存在相互间对消导致涡系减弱,结果总的可用涡升力下降?对黑丝的主翼而言,升力增幅效应是鸭翼涡为主还是边条涡为主?二者组合是 1+1 大于 2 还是弄巧成拙?
如果按宋老的论文,鸭翼加边条组合的综合升力系数增量达到了 0.6,而单纯边条和鸭翼只能提供 0.2、0.3 的系数增量,1+1>2 了,也就是说应用这种布局的升力系数理论上可到 1.9。实际有没有这么乐观,我对此抱有怀疑,一则因为对鸭翼下洗气流中边条的表现不明,二则因为鸭翼涡和边条涡,包括机翼涡间的相互作用到底会怎样不明。所以总担心黑丝在中小迎角的可用升力系数会比较难看,要到大迎角后才能反转,这样的话黑丝要在俯仰面改变状态很可能启动阶段敏捷性方面会显得比较迟缓。因为这个怀疑我曾经一度找了 N 多照片分析黑丝那个边条的设计安装角会不会有个预置的正余量或者扭转,以消除这种下洗的不利影响,但看来看去除了边条下表面确实略有一点正迎角外,没找到更多证据。
这种疑惑直到前两天看了 tin 翻出来的 02 年航空学报这篇论文,前后贯通了一下才算是想明白。需要申明一点,这个论文里重点研究的是鸭翼和边条涡的耦合作用,所用的气动布局模型的翼型、翼形等选择还不是最大升力构型,因此升力系数表现上重点不是看绝对值而是相对关系。本人分析目的也不是为了证明鸭式布局和常规边条翼布局孰优孰劣,而是单纯针对鸭翼+边条组合翼布局谈黑丝可能的气动特性。
先看看这个研究的模型气动布局图和有无鸭翼的升力曲线对比:

上图右侧升力系数曲线,无鸭翼时在约 15 度仰角前,边条翼的升力系数斜率略高于鸭翼(负偏角 10°)布局,但总升力相当,升力系数下降是由于增加了鸭翼的气动面积(系数分母)后造成,根据论文升力系数变化的具体过程为:
1、0~10° 间,负偏角 10° 的鸭翼表现为负升力,但鸭翼后气流对主翼变为相对上洗,增加了主翼迎角增加升力,二者综合升力与无鸭翼边条翼布局相当,但增加鸭翼气动面积造成分母增大升力系数下降;
2、10~15° 间,鸭翼转为正迎角(相当于 0~5°)正升力,但鸭翼后气流对主翼变为下洗(见我画的图分析),降低了主翼内段当地迎角和升力,二者综合起来总的升力仍与无鸭翼边条翼布局相当,但增加鸭翼气动面积造成分母增大升力系数下降;
