下一代战斗机技术展望（1）没有垂尾的战斗机(上)

TopGun · 发表于 2011-9-29 10:55:59

本帖最后由 TopGun 于 2011-10-14 02:38 编辑

战斗机的垂尾不但要保证巡航和起降时飞机的方向安定与方向操纵，更要保证高机动飞行时的安定性与操纵性，是至关重要的部件。下图是同时装备中国人民解放军海军和空军的俄罗斯Su-30MKK战斗机，其两个竖立的垂尾是如此之巨大，以至于每个垂尾都有一个垂尾油箱容纳航空煤油：

类似俄罗斯Su-30MKK这样垂直竖立的巨型垂尾是隐身的噩梦。以F-22和J-20为代表的第五代战斗机采用了新形式的垂尾。F-22把垂尾大幅度外倾从而达到隐身要求。J-20更进一步，采用全动垂尾并在边条和前翼涡流的配合下大幅度地减小了垂尾的面积，更加有利于隐身。下面两图分别是美国的F-22和中国的J-20：

那么将来接替F-22、J-20的下一代战斗机，它们的垂尾是什么样呢？我觉得下一代战斗机很可能没有垂尾。

第一种取消垂尾的方式是利用发动机的推力矢量控制飞机的方向安定性和方向操纵性。麦道公司在竞争JSF联合打击战斗机时就提出了这种方案。JSF项目的结果就是现在的F-35。下图是麦道的JSF方案，可以看出其平尾仅仅有非常小的上反角，可以说整个飞机没有垂尾：

下图是麦道JSF方案中的短距起飞垂直着陆型号，也可以看出整个飞机没有垂尾：

第二种取消垂尾的方式是综合利用发动机推力矢量、气动控制面、甚至从发动机压气机引气的方式实现方向控制。下图是一个战斗机方案的风洞试验模型，请注意其发动机喷口后面的两个操纵面：

发动机喷口后面的操纵面非常有利于飞机的雷达和红外隐身。这两个操纵面完全可以代替平尾的俯仰控制功能，并且能一定程度地代替垂尾的方向控制功能。

当进行俯仰控制时，这两个控制面具有很高的效率：它们同时向上或向下偏转，不但利用了发动机喷气，也利用了因为引射原理而由发动机喷气带动的、处于喷口周围的气流。

具体地说，当拉杆使飞机抬头时，这两个操纵面上偏，从而使部分发动机喷气折向上方，产生抬头力矩；当推杆使飞机低头时，这两个操纵面下偏，此时发动机喷气通过引射作用带动的较高速气流流经下偏的操纵面上表面，形成正升力，产生使飞机低头的力矩。因为发动机喷气及其引射作用的存在，这两个操纵面即使在低速时也有很好的操纵能力。

当进行方向操纵时，单侧操纵面偏转。因为操纵面的转轴与飞机中轴线的夹角小于90度，偏转单侧操纵面会产生侧向力，从而实现方向控制。当然，产生侧向力的同时，也产生了滚转和俯仰力矩，所以需要用其他操纵面配合来消除这些不需要的力矩。比如，主翼的副翼差动可以平衡这个不需要的滚转力矩、主翼的襟翼和这两个操纵面中另外一个的配合，可以平衡这个不需要的俯仰力矩。

下图是这个模型所代表的战斗机的一个想象图：

与这种操纵方式类似的一种方向操纵方法是YF-23的蝶形尾。蝶形尾也是既可以进行俯仰操纵也可以进行方向操纵。当进行方向操纵时，蝶形尾同样会产生不需要的俯仰和滚转力矩，需要其他操纵面配合来消除。YF-23虽然更隐身更高速，却在竞争中输给了YF-22，关键原因是这个蝶形尾加上没有推力矢量的发动机在机动性上不如拥有常规垂尾平尾外加推力矢量的YF-22。下图是YF-23：

发动机喷口后的这两个操纵面的偏航/俯仰/滚转耦合问题，在诸如巡航和小过载机动时可以依靠上面说的通过各种不同操纵面的配合来实现需要的力矩、平衡掉不需要的力矩。所以，这种在雷达和红外上非常隐身的操纵方式很适合不需要高机动的轰炸机、攻击机。下图是一种采用这种操纵方式的轰炸机/攻击机想象图，图中飞机使用了采用弹性蒙皮的变形机翼（Morphing Wing）：

但是当飞机进行剧烈的大过载机动以及过失速机动时，这种操纵方式则会力不从心。比如当过失速机动时，机翼上的副翼、襟翼的效果会非常有限，无法参与平衡掉不需要的力矩的工作。

所以，一个额外的办法被加了进来。先请大家看下面的图：

图中的战斗机采用了在机头部向侧面喷气的办法实现方向控制。机头的喷气来自发动机的压气机。利用从发动机压气机中引气参与飞机的气动控制早在上世纪五六十年代就有了，那时主要是使用吹气襟翼在起飞和着陆时产生额外升力。F-4鬼怪战斗机的一些型号就使用了吹气襟翼。第五代战斗机F-35的短距起飞垂直着陆型号F-35B，是采用从发动机压气机引出的喷气在垂直起降中控制飞机的滚转。下图是F-35B的动力系统，可以看到从发动机压气机直接伸出一对导管进入机翼，并在机翼下表面形成喷口：

这种直接从机头侧向喷气的方法即使在诸如大迎角、过失速之类的极端飞行姿态中仍然可以有非常效地实现飞机的方向控制。相比之下，常规的垂尾在这些极端条件下的效果会大大地打折扣。但是这种机头喷气的控制方式不但要求高性能的发动机以保证在提供充沛推力的同时给机头提供足够的压气机引气，也需要长长的管路把发动机压气机引气从处于后机身的发动机引导到机头。

虽有上述管路长、增加发动机负担的缺点，这种直接在机头喷气的控制方式却可以实现一些仅仅用发动机推力矢量所难以达到的机动能力。这主要是因为机头喷气可以改变机头和边条涡，而通过用机头控制这些涡流，可以改变机翼和后机身的升力情况，从而可以实现一些即使是目前最先进的第五代战斗机也难以实现的机动。

下面是美国航宇局（NASA）研究这个气动布局的两张图：

本文小结：
1，未来的下一代战斗机很可能没有垂尾；

2，发动机很可能参与下一代战斗机的方向控制。无论是直接用推力矢量，还是使用操纵面利用喷气和喷气引射气流进行方向控制；

3，如果是使用操纵面利用发动机喷气和喷气引射气流进行方向操纵，有可能需要采用从发动机压气机引气、在机头喷气的辅助方式实现优越的高机动，尤其过失速机动性能。

4，如使用机头喷气，可以通过机头喷气控制流经机翼和机身的涡流，从而实现一些现代战斗机难以做到的机动。

下一代战斗机技术展望（1）没有垂尾的战斗机(下)：
http://www.aswetalk.org/bbs/foru ... 55&fromuid=1242
下一代战斗机技术展望（2） DSI的进一步发展：
http://www.aswetalk.org/bbs/thread-5910-1-1.html

warbrai · 发表于 2011-9-30 07:41:22

没有垂尾的战斗机，只能是垂直起降了，鹞式的翻版了。

TopGun · 发表于 2011-9-30 08:39:48

warbrai 发表于 2011-9-30 07:41 ! K1 ^; k% k7 ~1 m- y% M
没有垂尾的战斗机，只能是垂直起降了，鹞式的翻版了。

请看下面链接的录像。从大约1分钟40秒开始是无垂尾的X-36战斗机缩比模型，有滑跑起飞和滑跑着陆的镜头：

http://www.youtube.com/watch?v=qbZ2Q6lStJE

Highway · 发表于 2011-10-7 13:08:38

本帖最后由 Highway 于 2011-10-7 13:09 编辑

TopGun 发表于 2011-9-30 08:39
6 _0 T" C( G, M: u请看下面链接的录像。从大约1分钟40秒开始是无垂尾的X-36战斗机缩比模型，有滑跑起飞和滑跑着陆的镜头：9 s4 }. K5 u# o
...

这里有一段X-47B起飞的录像

TopGun · 发表于 2011-10-7 22:11:02

Highway 发表于 2011-10-7 13:08 # p& u8 e! ~* g; e# m- ?
这里有一段X-47B起飞的录像

非常感谢。X-47用机翼外翼段上表面的扰流板和襟副翼的配合偏转实现了传统垂尾的功能。录像中起飞时，扰流板微微上偏、襟副翼微微下偏，起到了方向安定作用；着陆时这二者以较大角度张开，以同时实现方向控制和减速。我在《没有垂尾的战斗机（下）》中有一段提到这种方向控制方式。

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