戰鬥機採用鴨式布局有哪些優點和缺點?

為了應對不同的任務需求和機動特性，飛機在進行氣動布局選擇時也是形態各異。而戰鬥機經過百年的發展已經衍生出多種不同特性的氣動布局，如常規氣動布局、無尾布局、鴨式布局、三翼面布局、前掠翼布局以及飛翼布局等，而不同的氣動布局也有著不同的特點，對飛機也就有著不同的影響。那鴨式布局有著怎樣的優點和缺點呢？

典型的氣動布局

一、什麼是鴨式布局？

其實，1903年萊特兄弟製作發明的第一架飛機「飛行者」1號就是將操縱面放在了主機翼之前，從如今的氣動布局劃分上來看，「飛行者」1號布局方式就是鴨式布局。鴨翼布局是將常規布局的飛機上平尾移動到主機翼的前面兩側，而這種布局方式的飛機在外形上像一隻鴨子，因此得名「鴨式布局」，飛機前面的兩個翼面也被稱為「鴨翼」。而「鴨翼」一般為展弦比較小的三角形翼面。

「飛行者」1號

雖然萊特兄弟的第一架飛機就是鴨式布局，但那時候人們對空氣動力學尚未進行深入研究，而且後來人們發現擁有「鴨翼」的飛機容易失速，將其作為主要操縱面不容易控制，對飛機來說是十分不利的。為此，在穩定性和操縱性被人所重視後，常規布局成為了主流的氣動布局，別各種飛機所使用。而在戰鬥機進入高速飛行的噴氣時代之後，人們又發現鴨式布局比常規布局更適合超音速戰鬥機，因此鴨式布局又重新進入人們的視野。

超音速飛噴氣式飛機

二、鴨翼布局有什麼優點？

1.增加總體升力

在常規氣動布局中，飛機的重心處於機翼之前，為了維持飛機的飛行狀態，就需要在機翼產生的正升力的同時，需要平尾產生負的配平力將機頭「壓」起來，此時飛機的狀態為機翼升力-平尾升力=飛機的重力，是損失了機翼的升力的。而採用鴨翼的飛機則與之不同，鴨式布局的重心位於機翼和鴨翼之間，此時前置鴨翼與主機翼一樣都可以為飛機提供正升力，以增加飛機的總體升力。

鴨翼布局與常規布局的升力比較

除此之外，安裝位置較高或者飛機在進行大迎角飛行時前置鴨翼產生渦流，渦流在經過主機翼上表面時，會增加上翼面與下翼面之間的壓力差，從而使得主機翼在原有基礎上形成升力增量，這就仿佛汽車技術的「渦輪增壓」技術，進一步提升飛機的總體升力，所以採用鴨式布局的飛機會改善其升力特性，節省發動機推力，相同發動機推力的情況下，採用鴨翼布局的飛機會有著更大的起飛重量。

鴨翼產生的渦流

2.解決飛機重心後移帶來的影響

初期螺旋槳飛機的發動機和螺旋槳都位於飛機的前面，這使得飛機重心靠前，而常規氣動布局的後置平尾可以得到較大的力臂，另外平尾位於主機翼下洗場的渦流中，對於飛機整體的平衡能力和操縱性是十分有利的。而在戰鬥機進入噴氣時代之後，較重的渦扇/渦噴發動機被布置在了飛機的後方，再加上為了適應超音速飛行採用的大後掠角機翼也使得戰機的重心不斷後移。

早期螺旋槳飛機

重心的後移使得平尾的力臂也不斷減小，俯仰控制也就很難奏效，為了飛機的平衡就需要增大平尾的面積（F-22的大平尾），但這就使得飛機的重心進一步後移，進入了惡性循環。而鴨式布局的應用則解決了戰機重心後移的問題，前置鴨翼位於飛機的重心之前，很容易得到一個較長的力臂，從解決了噴氣式戰機重心後移帶來的影響。

F-22戰機氣動布局以及大平尾

3.提升大迎角升阻比

採用鴨式布局的飛機將導致較為複雜的耦合氣動流場，包括上洗(外翼段)、下洗(內翼段)效應，渦流之間以及渦流和翼面之間的相互作用等複雜的流場結構，而其中鴨翼產生的上洗、下洗氣流對機翼前緣的渦流潰散起到了延遲的作用，可以延緩飛機的失速迎角(可達30°以上，而普通常規氣動布局飛機的失速迎角只有十幾度)，從而在一定程度上提升飛機在大迎角飛行時的升阻比。

殲-20飛行中的渦流

4.提升飛機機動性

另外，採用鴨式布局設計還可以提升飛機的機動性和敏捷性，因為鴨翼布局的升力係數與操控效率較高，具有天生不穩定的特徵，靜不穩定的特性和為飛機帶來機動性方面的改善，特別是在飛機進行大迎角機動飛行時，此時鴨式布局的優點相比於常規布局等的優勢就會凸顯出來。而且飛機主翼上的襟副翼差動時，還可以提升鴨式布局飛機的滾轉機動性，所以採用鴨式布局的戰機更適合空戰纏鬥。

三、鴨式布局有什麼缺點？

1.鴨式布局飛機設計難度較大

由於鴨翼產生的渦流對主機翼有著很多的相互影響，這些影響可以是好的也可以是壞的，而且不同距離、不同大小、不同高度、不同形狀甚至不同材料的前置鴨翼對主機翼的影響都是不同的，一點小小的改動對飛機總體氣動就會產生較大的影響，所以，想要設計出適合的鴨翼這就需要大量的實驗和改動，這就在為鴨翼飛機的設計時，增加了不小的難度。

鴨翼對主機翼的影響

2.鴨式布局飛機操作難度較高

由於鴨翼產生的渦流會對主機翼產生上洗(外翼段)、下洗(內翼段)效應，下洗時會降低內側主機翼的有效迎角，從而會減少升力的產生；而上洗渦流卻會使得主機翼外側迎角增加，使得上洗氣流提前分離。而且鴨翼飛機在不同的飛行姿態中，鴨翼的脫體渦流在主翼面上的生成、發展、破裂和漂移對飛機的升力和縱橫向的力矩特性影響較大，使得縱向力矩曲線出現極嚴重的非線性化變化；這樣一來二去就使得飛機操作難度大幅度增加，而單靠飛行員很難進行操作。

採用鴨翼的「颱風」戰機

所以，在早期的設計的鴨式布局的飛機都是不可動的，那時候的鴨翼對飛機僅僅起到渦流發生器的作用，而不能控制飛機的俯仰。而想要發揮出鴨翼的特性就需要依賴先進的飛控系統和電傳操縱系統完成操控，這也是為何全球採用鴨式布局的戰機在近些年才有所增加到原因，可以說，鴨式布局的飛機考驗的是飛控系統。

3.鴨翼會影響飛機的隱身性

其實，鴨翼對飛機隱身性的影響與採用平尾設計的飛機是相差不大的，兩者都是在平飛時對飛機的隱身效果沒有太大的影響，只有在轉動或者大迎角飛行時才會增加飛機的RCS（雷達反射截面）值，所以直接說鴨翼會影響飛機的隱身性是不對的，只是相比較無尾式飛機或者飛翼布局飛機的在隱身性方面略遜一籌而已。

殲-20的全動鴨翼

四、結語

另外，近、遠距鴨式布局的飛機也有著不同的特性，採用遠距鴨式布局的飛機，鴨翼阻力和重量較小適合高速飛機，但缺點是鴨翼遠離主機翼難以形成渦流升力；而近距鴨式布局的飛機鴨翼對主機翼能夠產生明顯的渦升力，可以提升飛機的機動性，但缺點是對飛機重心的力臂較短，配平和俯仰控制的作用會降低。

總體來說，鴨式布局並不是只有優點，同時也存在著缺點，只有發揮出鴨翼應有的優點，儘量彌補鴨翼帶來的缺點才是一款設計良好的鴨式布局飛機。而隨著飛機飛控系統和電傳操縱系統技術的不斷完善，或許未來採用鴨翼布局的戰機會越來越多。