殲20作為我國第一款優秀的五代機,也是由於其獨特的外觀設計,使之全世界所有五代機中的一個例外。而在此前成飛對殲20外觀做出了細節優化,尤其是對鴨翼布局方面大作文文章,獨到的優化讓殲20鴿更加出眾,憑實力一舉斬獲獲國家級獎項。
具體地說,此前知識產權局公布的第21屆中國專利獎名單中,殲-20以「升力體邊條翼鴨式布局」榮獲外觀設計專利金獎。這也是中航工業成飛設計研究院首次榮獲全國設計大獎。J-20獲得國家專利不僅是對成飛的肯定,更是對中國科技事業的有力推動。就連瑞典的專家們也聲稱這是天才的創意,在獲得專利獎之後,美歐若想抄襲還是要付費的。那麼,殲20首發的「升力體邊條翼鴨式布局」又有何特別之處呢?
具體來說,升力體邊條翼鴨式氣動布局」是人類飛行器的一個歷史性創新。升力體邊條翼鴨式布局,這一布局就如其名一樣,在鴨式布局的情況下,融合了翼身升力體以及邊條翼設計。為了提升現代飛機的最大升力係數,一般會選擇鴨翼布局或者側翼布局。
而同樣採用鴨翼布局的戰鬥機有我國殲-10系列,殲-15,俄羅斯的蘇-35,蘇-34,蘇-30 MKI,歐洲的颱風,陣風,鷹獅等等,這種氣動布局的飛機具有更好的升力和靈活性。其它戰機大多採用側翼,同樣能提升戰鬥機的升力。美國戰鬥機由於性能較,推力足夠大的發動機,大多採用側翼氣動布局,其巔峰之作也就是F-22。
而我國殲20則另闢蹊徑,從布局上補齊推力問題。而J-20的「升力體邊條翼鴨式氣動布局」之所以能獲得金獎,主要是因為它的三項自身設計得到了評委的認可。其中,氣動布局的理論依據是殲10總設計師宋文驄所著的一篇學術論文《關於小展弦比升力機氣動布局的研究》。
此文介紹了傳統的鴨式布局飛機是利用鴨翼與機翼脫體渦之間的有利耦合作用,增加飛機的最大升力,以保證鴨翼產生足夠強的脫體渦,將機翼後掠角限制在55度左右,展弦比2.5左右。但這種機翼在迎角範圍內不能有效地產生前脫體渦旋,為了兼顧最大升力係數和迎角範圍內升力特性,一般情況下應選用後掠角和展弦比適中的機翼,殲20採用鴨式布局,同時增加了翼身融合升力體和側條翼設計。
邊條翼能像鴨翼一樣對機翼產生增高作用,很多現代戰機都採用邊條翼的設計,如F16、蘇27、梟龍等。但同時使用邊條翼、鴨翼的飛機只有殲20,而殲20則是在鴨翼和主翼直接設計成一對邊條翼,讓鴨翼和邊條翼同時對主翼產生增升作用,達到1+1>2的效果。
這個設計聽起來簡單,但要想取得成功,還需要經過很長時間的風洞試驗,稍不留神,兩個增升裝置產生的渦流就會相互幹擾,使飛機失去增升渦流。J-20通過邊條翼和鴨翼的組合,最大升力係數達到了2以上,是目前世界上提升係數最高的飛機(F22最大提升係數為1.6),這是讓評委們認可的第1個本事。
採用「升力體邊條翼鴨式氣動布局」與未採用對比
而殲20第2個徵服評委的本事則是它的垂尾設計,雖然重型機的雙垂尾設計可以提供可控迎角,提高橫行穩定性,但飛機的增升脫體渦流會在垂尾側面形成低氣壓區,降低飛機的升力特性,而2個垂尾之間又會形成高氣壓區,對上機表面形成反壓力梯度,影響飛機的穩定性。
所以,為了兼顧垂尾的作用和消除不利影響,殲20採用了小面積 V型全動的垂尾+腹鰭設計,該設計保證了垂尾在面積較小時仍能保持足夠的操縱力矩,而在面積較小時,則減小了對最大升力係數的影響,同時,腹鰭在面積較小時仍能保持足夠的橫向穩定性。J-20的垂尾設計讓升力損失從傳統的0.4降至0.1,而且較小的垂尾減少了飛機重量和飛行阻力,與F22的巨大垂尾形成鮮明對比。
很多人認為殲20的外形模仿米格1.44,其實這完全是一個誤解。Mig1.44採用的只是鴨型布局,而並未採用「升力體式邊條翼鴨型布局」,而且還缺乏隱身設計,其氣度布局與殲20截然不同。從這幾個方面可以看出殲20與米格1.44有著天壤之別,例如,米格1.44的鴨翼位置明顯高於主翼,米格1.44採用腹式進氣結構,米格1.44的主翼為中單翼,而殲20是上單翼的典型代表。
評委們認可殲20的第3個本事是,我國首次將鴨式升力體布局在機身上,可以同時使機身具有升力,從而大大提高飛機的機動性能,但早期的鴨式布局飛機都沒有採用升力體布局,這是因為傳統的鴨式布局飛機要求鴨翼比主翼更高,這樣就會在主翼上產生下洗增高的渦流。
而升力體布局飛機要求鴨翼與主翼儘可能地平行,這是一種矛盾的要求。並且殲20鴨翼位置設計精巧,雖然其高度與主翼平行,但通過一定的上斜角和下斜角配合,仍能使鴨翼與主翼位置平行時仍能產生一定的增升渦流,實現鴨式布局與翼身融合升力體布局的結合。
另外,由於殲-20採用的「鴨翼和邊條翼的結合」設計,使得殲-20具有強大的超音速巡航能力,因為鴨翼戰機的巡航速度本身就可以很容易地達到超音速,再加上邊條翼的保護,殲-20的巡航能力只會更好。這一設計使得兩個機翼互相配合,各取所需,這就是為什麼殲-20有足夠強的機動能力。
殲20的垂尾採用了全動設計
整體而言,殲20所採用的升力體邊條翼鴨式布局,使該飛機擁有了強大的機動性,這種同樣在其他國家難以實現的布局,能夠獲得國家專利獎勵,已經證明了它有多成功,美國人曾認為鴨翼式布局很糟糕,因此放棄了鴨翼式設計。但中國工程師們做出了「強有力」的回應。
而且,這次殲20獲得了國家專利獎勵,從另一方面來說,也是國家對殲20項目的認可,經過幾十年的摸索,中國在飛機設計領域從零到有,從最初仿製蘇式布局,到突如其來的殲10項目,中國在飛機設計上一直都是獨樹一幟。
如今的殲20也是如此,可以說中國在飛機設計領域已經獨樹一幟,殲10布局的成功,更讓人感到欣慰。為我國未來戰機的設計奠定了良好的基礎。有句話叫「航發只欠好大力,美國本土運石頭」。致敬大國工程師!