自從戰鬥機誕生以來,為了追求提高作戰能力,飛機的迎角一直在不斷提升,迎角越大升力越大,機動性越好,大迎角機動飛行能夠迅速改變飛機的速度矢量與機頭指向、搶佔有利的攻擊位置、並率先發動攻擊,同時還能將自己飛機的位置始終處於對手轉彎半徑的內側,可有效規避敵方武器系統的攻擊、形成戰術上的絕對優勢。
這也是世界戰鬥機不斷採用新技術提高迎角的最大推動力,二代機最大攻角大多在20度左右,三代機攻角限制在24-26度,雖然看著數據差不多,但是二代機超過20度就非常容易失控,難於改出,而且二代機大攻角操縱經常非線性,一會反應大一會反應小,體驗嚴重不佳,但是三代機大多有良好的飛控系統,可以控制飛行包線,使得飛行員可以在安全範圍內無憂慮操縱!而且飛控系統將非線性部分進行平滑,使得飛行員不用適應飛機的怪毛病。
而四代機F-22,F-35,以及中國殲-20戰鬥機,則一舉突破26度牢關,殲-20和F-22戰鬥機在無推力矢量情況下,可以做到最大攻角60度可控飛行,F-35戰鬥機50度,殲-20戰鬥機做到這個數據,背後是一個大家很難想像的情況,長得很不適合大攻角飛行的樣子,機身超長,而且垂尾低矮位置靠後,而美國兩款飛機則是飛機短粗,垂尾高聳。
從對比來看,F22垂尾更高更超前,大迎角性能好是天然的,誰都想不到殲20一樣好
提高大迎角性能,除了改進機翼設計之外,垂尾也是一個巨大的限制因素,戰鬥機機動往往是三軸交聯,往往一個動作下來俯仰滾轉側滑三個方向參數都會一起動,大迎角飛行最大的難題是垂尾效率,垂尾往往安置在機身尾部,但是放在哪個位置,多高多大面積,這就是很麻煩的問題。
二代機追求最大速度,所以需要高速飛行舵效高,所以垂尾一般都儘量往後放,中國殲8戰鬥機則創造了一個奇蹟,垂尾放到後端發動機噴流影響區,燒了40年的尾巴不斷開裂,而三代機設計則講究提高迎角性能,所以垂尾位置儘量靠前,而且垂尾高度高,面積大,這種設計一直延續到四代隱身飛機時代,而中國殲-20垂尾設計更像二代機,為何能做到同樣優秀的大迎角性能呢?
殲-20飛機設計細長,垂尾低矮,類似二代機殲8,但是大迎角性能卻有天壤之別
美國F-22戰鬥機飛機比殲-20戰鬥機短了2米多,而且垂尾更高,面積幾乎大一半,而且位置特別靠前,F-35戰鬥機設計也類似,但是很尷尬的是,F-22和F-35都遭遇到垂尾振動問題,其中F-35戰鬥機特別嚴重,在試飛期間,從18度就開始抖,飛行員連儀表都看不清,後期則在22-26度範圍內飛行經常不穩定,這也是包括美國飛行員在內的多國飛行員一直嚴重吐槽的地方:比F-16晚了40年,人家大迎角幾乎不抖!
殲-20如何能做到大迎角飛行不抖?設計師想了很多辦法,尤其是飛機比較低矮大迎角容易被前機身遮擋,主要有三招,一個是採用腹鰭,腹鰭在機翼下方,大迎角飛行時候沒有任何遮擋效率很高,而且可以作為發動機尾噴流的遮擋器,另外一招是,設計師精心設計了飛機後邊條,又寬又長,便於增加飛機升力體效果,另外一個方面,可以作為飛機V型垂尾的安裝點,位置拉開後,儘量減小機身的遮擋效應。
設計師利用各種先進軟體,外加風洞實驗,模擬飛機渦流,找出最佳垂尾位置
除了以上2點,最重要的還是,脫體渦流場預測,大迎角飛行最容易發生的問題是垂尾抖振,這是由於大迎角飛行時候,飛機機身機翼各個部位產生了大量的渦流,這些渦流生產和消失都比較複雜,假如處理不當,則容易直接撞擊在垂尾上,直接造成後機身強大振動,影響飛行安全,而且嚴重危機垂尾壽命,美國F-18A和F-22A都付出了巨大代價!
F-18A戰鬥機採用了V型雙垂尾,大迎角性能優秀,但是僅僅幾次大迎角飛行後,立即發現垂尾開裂,不得不緊急修補,最後在邊條上加擾流片,改變渦流破裂位置,最終增加了更大阻力,飛行性能進一步降低,而F-22戰鬥機則是不僅僅垂尾位置前移躲避遮擋,而且更依靠「頭鐵」硬抗,使用了超強的4梁接頭垂尾安定面和高強度碳纖維做面板,這也是一種代價很大,而且野蠻的做法:固定安定面在大迎角飛行時候會降低飛機機翼升力,而且垂尾也會生產渦流,難於預測和處理。
殲-20戰鬥機使用了更輕結構,更小面積設計,得到了同樣的結果,這是中國設計師的一大勝利!