第四章 鸭式布局

1. 第四章 鸭式布局 • 引言 • 对于静稳定的飞机，重心在气动中心之前，平尾的平衡力向下，对全机起降低升力作用。 • 鸭式飞机相反，鸭面的升力向上，提高全机升力。 • 由于超声速飞行，采用大后掠使气动中心后移，同时安装在机身尾部的发动机功率不断加大，重量增加。这些使得飞机重心越来越靠后，平尾力臂不断减小，为保证足够的平衡和操纵力矩，需要加大尾翼面积，因而导致重心后移和平尾面积增加的恶性循环。

2. 引言 • 鸭式布局在大后掠机翼的前面可得到较长的力臂，有较好的操纵性和较大的升阻比。 • 鸭式布局分为远距鸭面和近距鸭面两种形式。 • 60年代初期，瑞典研制SAAB-37时首先对近距鸭面进行研究。当鸭面距机翼较近，并处于谋合适上下位置时，大迎角时鸭面对机翼产生有利干扰，显著提高大迎角的升力。 • 其后多国进行研究，在高机动战斗机上使用。如瑞典JAS-39，法国阵风(Rafael)，欧洲EFA，美国X-29等。

3. 引言

4. 引言

5. 远距鸭面 • 纵向气动特性 • 机翼平面形状影响 • 比较A=2.31的60°三角机翼和A=3.0的梯形机翼的纵向气动特性。重心位于相同位置，鸭面和机身外形相同。 • 梯形机翼后掠角小、展弦比大，因而升力线斜率CLα在全部的M数范围均比三角机翼高。 • 前者的超声速Cdmin较大，亚声速的Cdmin取决于摩阻，两者差不多。

6. 远距鸭面 • 亚声速，梯形机翼由于CLα大，最大升阻比(L/D)max比较大。超声速时，梯形机翼CLα大与Cdmin大的作用相抵消， (L/D)max基本相同。 • 纵向静稳定曲线，亚声速梯形机翼的气动中心比三角机翼靠后，而且从亚声速到超声速的气动中心后移量也比三角机翼大，主要是梯形机翼CLα较大的影响。

8. 远距鸭面 • 另一组两种机翼压心随马赫数变化的实验结果。 • 将两种方案亚声速(M=0.7)压心重合的比较。 • 超声速时梯形机翼压心比三角机翼显著靠后，为减小静稳定度要将重心后移，这使得垂尾尾臂减小，可能引起航向静稳定性不足。且由于纵向静稳定性较大，超声速配平阻力也较大，而且其超声速Cdmin也较大。 • 综合来看，远距鸭式布局的三角机翼方案适合于超声速飞机。

9. 远距鸭面

10. 远距鸭面 • 鸭面平面形状影响 • 在M=2.01的配平状态，研究外露面积相同的梯形和70 °三角形鸭面对70°三角机翼纵向气动特性影响。 • 在相同的配平升力， 70 °三角形鸭面的配平偏度比梯形要大，原因是前者的CLα小。因此，在较大升力时，梯形鸭面的配平(L/D)较大。 • 因此，鸭面平面形状的影响主要在鸭面的操纵效率，且在较大升力系数的差别明显。

11. 远距鸭面

12. 远距鸭面 • 在低速(M=0.25)状态，不同平面形状的鸭面可能提供的最大ΔCm如图。各种鸭面的外露面积及其与重心的距离相等。 • 总的趋势是增大鸭面的后掠角或减小展弦比对鸭面的配平能力有利。这与鸭面本身升力系数变化趋势相反。 • 原因是，对于后掠角小或展弦比大的鸭面，由于CLα大，使全机气动中心前移，为保持静稳定度，需前移重心，因此鸭面力臂减小，配平力矩减小。 • 但如果减小具有小后掠角或大展弦比鸭面的面积，保持静稳定度，产生相同的配平力矩。则至少可以减轻鸭面重量。

13. 远距鸭面

14. 远距鸭面 • 鸭面大小的影响 • 为保证必要的静稳定性，以及得到更大的配平升力或提高操纵性，要增大鸭面面积。 • 但鸭面面积增大会有不利影响。如低速纵向力矩的非线性（力矩曲线上弯），过强的下洗（降低机翼升力），对发动机进口流场和大迎角方向稳定性的不利影响。 • 图4-9为鸭面容量Sclc/Swcw对气动中心和鸭面操纵效率Cmδ的影响。Sc和Sw分别为鸭面外露面积和机翼面积，lc为鸭面转轴至重心的距离，cw为机翼的平均气动弦。

16. 远距鸭面 • 可见，增大鸭面容量将使气动中心前移，鸭面操纵效率Cmδ提高。 • 图4-10是在M=2.01的配平状态，大小两种鸭面对60 °三角机翼鸭式方案纵向气动特性的影响。 • 比较的基础是具有相同的静稳定性。增大鸭面可以显著减小鸭面的配平偏度，减小全机配平阻力，增大配平升力，提高配平时的升阻比。

17. 远距鸭面 • 增加鸭式布局抬头力矩的措施 • 研究了各种增加抬头力矩的措施，以弥补鸭式飞机飞机纵向操纵能力不足的缺点和避免鸭面偏度过大引起配平阻力过大和其它不利影响。 • （1）机翼扭转 • 常用机翼扭转改变Cm0从而对配平产生影响。图4-11是一个后掠机翼的扭转（从翼根到翼尖有4°的负扭转）对俯仰力矩的影响。 • 在试验的全部升力情况下，机翼扭转产生一大小基本不变的抬头力矩，对配平有利。 • 图4-12为相同M数（M=1.41）下，该扭转机翼对鸭面配平偏度和配平升阻比的影响。

19. 远距鸭面 • 相对不扭转的机翼，机翼扭转可减小鸭面的配平偏度，显著提高升阻比。 • （2）机头上翘 • 另一种产生抬头力矩的措施是固定的或活动的机头上翘。图4-13是机头上翘对梯形机翼鸭式方案纵向气动配平特性的影响（M=2.01）。 • 机头上翘4°产生一基本不变的抬头力矩，对升力、零升阻力、气动中心基本没有影响。 • 产生的抬头力矩可减小鸭面配平偏度3 ° ~4 °，或在保持鸭面偏度不变时提高配平升力。升力系数较大时，配平升阻比明显提高。机头上翘也可减小大迎角诱导阻力。

21. 远距鸭面 • 鸭面操纵与机翼后缘操纵的组合 • 鸭式飞机常常同时采用机翼后缘操纵面以弥补纵向操纵能力的不足。 • 图4-14为鸭面不同偏度与机翼后缘操纵的组合对60 °三角机翼鸭式方案配平气动特性的影响。鸭面有0°、5°、10°、15°四种偏度，后缘襟翼的偏度范围为0°~30°。图示是鸭面固定一种偏度，后缘襟翼变化偏度的情况。

22. 远距鸭面 • 鸭面和后缘襟翼配合进行操纵可提高配平升力。 • 如果只用后缘襟翼，鸭翼不偏，最大配平升力只有0.14，而配合鸭面操纵，最大配平升力可达0.37；如仅用鸭面操纵，后缘襟翼不偏，则最大配平升力只能到0.23。 • 对于鸭式飞机，需要采用鸭面和后缘襟翼配合操纵，以提高飞机的配平能力、升阻比和机动性。

24. 远距鸭面 • 横侧气动特性 体轴系

25. 远距鸭面 风轴系

26. 远距鸭面 风轴系

27. 远距鸭面 • 垂直尾翼位置和大小的影响 • 在M=2.01和时，位置和面积不同的垂尾对60 °三角机翼鸭式方案横向气动特性的影响如图4-15。机身上的垂尾V2的面积是V1的一半，机翼上的垂尾V3和V4的面积与相同。 V1、 V3、 V4的尾容量相同，均比V2大一倍。 • 同常规布局，机身上安装垂尾（V2和V1）的Cnβ随迎角增大而减小，这是鸭面、机头和机翼的流场在垂尾处的侧洗和速压q变化的结果。

28. 远距鸭面 • 将垂尾面积增加一倍可提高Cnβ，并将Cnβ=0的迎角从11.5°提高到17°，但无法改变Cnβ随迎角增大而下降的趋势。 • 机翼上安装垂尾（V3和V4）的Cnβ有所不同。 • 在α=0°附近，机身V1的Cnβ最大，可能是V1的高度大，在小迎角受鸭面、机头和机翼尾流的影响较小。 • 机身上双垂尾的Cnβ随迎角增大而下降的趋势较缓和，在α=12°以前， Cnβ下降很慢。这主要是避开了鸭面和机头的不利侧洗影响。

29. 远距鸭面 • 在试验迎角范围内，外侧V4的比V3要高许多，原因是V4的位置在鸭面的影响范围外，不仅不受鸭面尾涡的直接影响，而且还可能存在有利侧洗。 • 垂尾提高了横滚稳定性。其中，V1的横滚稳定性最大（ Clβ负值最大）。虽然机身垂尾V3和V4的尾容量比V2大一倍，但Clβ相差不大。可见影响Clβ的不仅有垂尾的尾容量，也有垂尾的高度。

31. 远距鸭面 • 图4-16和4-17示出鸭面对单垂尾和双垂尾方案横侧特性影响。 • 鸭面提高了单垂尾V2的方向稳定性，而稍微降低了双垂尾V4的方向稳定性。 • 鸭面提高了单、双垂尾横滚稳定性，但在大迎角时效果不明显。 • 试验表明，鸭面偏度对横侧特性有很大影响，且这种影响不太有规律。鸭面对横侧特性的影响与垂尾的位置和形状、机翼的平面形状、鸭面与机翼和机身的相对位置，以及迎角的大小都有关，且对不同的布局有不同的影响。对此须进行仔细分析和充分的风洞试验。

33. 远距鸭面 • 机翼平面形状的影响 • 展弦比3.0的梯形机翼和70 °三角机翼对鸭式布局方案超声速横侧特性影响见图4-21。上单翼，单垂尾，试验M=2.01。 • 70 °三角机翼方案的方向稳定性和横滚稳定性均优于梯形机翼。对比有、无垂尾的曲线，对于70 °三角机翼方案，垂尾对Cnβ和Clβ的贡献均比梯形机翼方案大。这可能是70 °大后掠细长机翼对影响机头和鸭面的尾涡的遮蔽作用。

35. 远距鸭面 • 机翼上下位置的影响 • 展弦比3.0的梯形机翼鸭式方案的机翼上下位置对超声速（M=2.01）横侧特性影响见图4-22。 • 对于下单翼，在小迎角时，方向稳定性Cnβ较高，原因是下单翼阻止了侧滑时机身的扰流，提高后体对方向稳定性的贡献。随迎角增大，垂尾的方向稳定性减小，而无垂尾的机翼和机身的不稳定性基本不变，使得下单翼方案的Cnβ随迎角增大而减小的速度较快。

36. 远距鸭面 • 而上单翼则相反，在小迎角时，方向稳定性Cnβ较低。随迎角增大，垂尾的方向稳定性减小，而无垂尾的机翼和机身的不稳定性逐渐减小，使得上单翼方案的Cnβ随迎角增大而减小的速度较慢。 • 对横滚稳定性Clβ的影响与常规机翼相同，上单翼具有较大的横滚稳定性。

37. 远距鸭面 • 鸭翼平面形状的影响 • 梯形鸭面和70 °三角鸭面对70 °三角机翼鸭式布局超声速横侧气动特性影响见图4-23。 • 总的来看，鸭翼平面形状的影响不大。

39. 远距鸭面 • 机头边条的影响 • 对常规布局，机头边条可提高大迎角的方向稳定性。对于鸭式布局，机头边条也有相同的作用。 • 对提高横滚稳定性稍有好处。

41. 远距鸭面（canard） • 鸭式布局与其它布局的影响 • 鸭式布局与正常布局的比较 • 平直机翼的鸭式布局与正常布局的最大配平升阻比的比较见图4-25。速度为超声速。正常布局的平尾的上位置为高平尾，下位置与机翼在同一平面。不同方案静稳定度相似。 • 横坐标为操纵面的配平偏度与配平迎角之比，此比值大表明配平阻力大。 • 鸭式布局与正常布局低平尾的比较 • 总的情况是鸭式布局的最大配平升阻比要比正常布局大一些。

42. 远距鸭面 • M=1.3时，二者差别不大。随M增加，正常布局的配平偏度增大，因而升阻比下降。而鸭式布局随M增加，其配平偏度变化不大，因而升阻比还稍有提高。 • 鸭式布局与正常布局高平尾的比较 • 与低平尾相反，正常布局高平尾的最大配平升阻比要比鸭式布局大，原因是平尾配平偏度很小。有两个因素，一是高平尾的阻力产生抬头力矩，可减小配平偏度；二是平尾与垂尾的干扰在平尾上产生向下的载荷，也产生抬头力矩。 • 虽然高平尾的配平升阻比较高，但与低平尾相比，其俯仰力矩有严重的上仰现象，且有结构增重，综合比较不利。

43. 远距鸭面

44. 远距鸭面 • 鸭式布局与无尾布局的比较 • 两种布局的机翼和机身相同，机翼为60 °三角机翼。无尾布局用机翼后缘襟翼作俯仰操纵。 • M数1.3时，鸭式布局的(L/D)max稍低。随M数增大，鸭面的配平偏度减小，而无尾的后缘襟翼偏度反而有所增大。因此，M>1.7以后，鸭式布局的(L/D)max就超过无尾布局。 • 对于鸭式布局，在超声速时随M数增大，其气动中心前移量要比无尾布局大（图4-5）。如果低速时两种布局静稳定度相同，则鸭式布局的超声速静稳定度要比无尾布局小，M数越大此差别越明显。因此，鸭式布局的配平偏度较小，这是造成超声速配平升阻比差别的主要原因。

45. 远距鸭面

46. 远距鸭面 • 图4-27是另一种试验结果的比较，机翼均为60°三角翼，静稳定度相同。两种布局分别以鸭面和后缘襟翼作俯仰操纵面，二者面积相同。图示为两种布局在M=2.01时的纵向配平气动特性。 • 与无尾布局相比，鸭式布局具有较高的配平，较低的诱导阻力，较大的配平升阻比。结论与上述情况相同。 • 从操纵面偏度来看，在相同的配平升力下，襟翼的配平偏度远大于鸭面。原因不完全是鸭面力臂大，还由于后缘襟翼配平时降低全机升力，为保证同样的升力，必须加大迎角，进一步又要增加襟翼偏度。 • 而鸭面操纵在超声速时增加全机升力，同时鸭面下洗降低机翼升力的作用随速度增加而减小。

48. 近距鸭面 • 近距鸭面是利用鸭面和机翼前缘分离旋涡的相互有利干扰的作用，使涡系更加稳定，推迟旋涡的破裂，提高大迎角时的升力。 • 为了充分利用旋涡的作用，近距鸭面布局一般采用大后掠小展弦比的鸭面和机翼，因为这种升力面的特点是较小的迎角就产生前缘旋涡，而且其旋涡强度大，比较稳定。 • 现代先进战斗机强调高机动性，良好的超声速性能甚至超声速巡航能力。大后掠小展弦比升力面的近距鸭式布局经常被考虑，SAAB-37就是这样的布局。

49. 近距鸭面 • SAAB-37、F-4、F-106的进场性能比较如图4-29。 SAAB-37的翼载与F-106相近，但其进场升力系数高65%，进场速度低23%。 • F-4的进场升力系数较大，一是其机翼后掠较小展弦比较大，二是采用了吹气襟翼。 • 大后掠小展弦比机翼的升力效率低，不适于攻击机、远程战斗机和舰载飞机，因为它们要求优良的航程和续航性能，较好的起飞着陆性能和多点外挂能力。 • 这类飞机要采用中等或小后掠、中等展弦比机翼，在大迎角时分离并不形成旋涡，或者只产生弱的和不稳定的旋涡，是否适合于鸭式布局也是值得研究的问题。

50. 近距鸭面