话说歼-20 - [2] 气动布局 (下)
- 全动鸭翼 + 大边条 -
歼-20开四代机采用鸭翼先河
飞机的主要气动面就是主翼，平尾/鸭翼和垂尾。主翼产生绝大部分升力，托起飞机在空中飞行。平尾和鸭翼最主要的用途则是控制俯仰和配平。
俯仰好理解，就像是水平放置的舵，偏转一定角度后施加在舵面上的空气动力产生抬头或者低头力矩，改变飞机的俯仰角。
配平对很多人来说可能比较陌生。任何飞机在飞行时都有重心和气动中心，当两者重合时，飞机就处于稳定状态。如果不考虑燃油消耗和武器投放等因素，飞机的重心基本上是固定的；而气动中心会根据速度、仰角的变化不断移动，特别是超音速飞行时，气动中心大幅度后移，带来强大的低头力矩，因此必须依靠平尾或者鸭翼产生一定的力矩来恢复平衡。
▌常规布局的歼-7和F-18起飞离地瞬间，尾翼下偏角度很大，以负升力下压机尾，像杠杆一样把机头翘起来
鸭式布局则是鸭翼在前，主翼在后，重心位于鸭翼和气动中心之间，飞行时为了配平低头力矩，鸭翼须产生正升力，总升力得到提升。歼-10在推重比不高的情况下，大仰角起飞仅需250米距离，比推重比达1.1的F-15还短，说明其鸭翼带来的气动收益非常显著。假设相同条件下，采用鸭式布局，因为升阻比更大，主翼就可以适当缩小尺寸，减轻结构重量，减少空气阻力；或者主翼设计不变的情况下增加最大起飞重量，缩短起飞距离。
▌鸭式布局的歼-10起飞离地瞬间，鸭翼和主翼一样为正仰角，产生升力
鸭翼的另一个作用就是产生涡流。说得通俗点，涡流就好比是人为地在主翼上表面制造持续的小型龙卷风。大仰角时的三角翼前缘会产生强烈旋转的涡流，在机翼上表面形成一个高速低压区，产生向上吸的涡升力。仰角越大，涡流的强度越大，但超过一定角度后涡流变得不稳定，开始破裂，导致机翼失速。因此纯三角翼飞机的大仰角性能并不好。
瑞典的空气动力学家在六十年代发现了鸭式布局近距耦合现象，当前翼与主翼的相对位置合适时，其产生的涡流和主翼涡流相互作用，可以稳定涡流核心，延迟主翼失速，显著增加飞机的升力系数和升阻比，提高大仰角飞行能力。基于这个理论瑞典研发了以短距起降能力强而著称的Saab-37雷式战斗机。欧洲国家对鸭式布局情有独钟，之后发展的JAS-39鹰狮、阵风、台风战斗机都是鸭式布局。采用全动鸭翼可以主动调整涡流的角度和强度，实现涡流控制最优化。
▌阵风战斗机鸭翼产生的涡流和主三角翼产生的涡流相叠加的作用示意图
鸭翼在带来巨大升力收益的同时，设计风险也非常高。常规布局的飞机，气流流过平尾之后，对机体就不再有显著影响。而鸭翼布局气流流过鸭翼后将进入到主翼和整个机身的流场中，相互的气动干扰将导致机翼上方涡流体系剧烈而复杂地变化，造成控制困难。要主动、及时、准确地通过鸭翼进行配平和操纵，必须采用电传操作，利用计算机辅助控制。因此，鸭式布局战斗机在气动理论和控制律编写上的要求远高于常规布局。
信奉“鸭翼最好的位置是在别人的飞机上”（F-16总设计师语）的美国，对鸭翼的优缺点研究得非常透彻，既然美国拥有强大到变态的发动机，完全可以用更稳健的常规布局实现同样的指标，从费效比和风险控制角度考虑都没有必要去采用鸭式布局。而对于欧洲和中国来说，因为缺乏大推力发动机，必须想尽一切办法提高飞机的升阻比，以实现尽可能高的飞行性能，鸭式布局就是长期实践出的最优选择。
鸭翼同时具有配平和涡流耦合的作用，但这两点实际上是相互矛盾的，鸭翼距离主翼远，力臂长，配平能力强，涡流耦合作用就弱，距离近则相反。各国飞机设计师对鸭翼的位置绞尽脑汁，根据飞机的技战术要求采取了不同的方式。
欧洲四国联合研制的台风战斗机，两个最大的客户英国和德国分别要在北海和波罗的海方向拦截北极熊的入侵，对高速拦截和空战的能力要求很高，用于替换的是狂风ADV型和F-4。因此它采用了远距耦合，鸭翼非常靠前，在座舱的前端甚至已经遮挡了部分朝下的视界。这样的布局配平能力优秀，能以1.6-1.8马赫速度进行3-4G机动，超音速机动性在西方战斗机中仅次于F-22。但鸭翼距离太远，耦合效应很弱，为此台风专门在进气道上方增加了两片狭长的涡流发生器，虽然看上去简陋得像个补丁，但也能部分弥补涡升力的不足。
▌台风战斗机俯视图，机身两侧的两道白烟就是涡流发生器产生的升力涡，可以看出强度不大
法国一贯坚持独立的军备建设，能得到的盟军支持没英国多，因此阵风必须是一款全能型的战斗机，强调多用途特别是对地攻击性能，用于替换“幻影”III、F1战斗机、“幻影”IV轰炸机和“美洲虎”攻击机，更有舰载机的要求。因此它采用了近距耦合，鸭翼紧贴主翼，涡流耦合增生效果非常好，拥有更大的载弹量和更远的作战半径，亚音速低空飞行性能出众。但是阵风的近距耦合基本上是在回避配平能力，空气阻力大，超音速机动性和高速性大为逊色。法国空军的截击任务仍然是交给纯三角翼的幻影-2000去执行。
▌海军型的阵风-M侧视图，阵风的鸭翼之下还有一小段从主翼延伸出来的边条，拉出了边条涡，进一步增强大仰角能力，以适应法国的小甲板航母
中国的歼十，最初的目标是对抗北方虎视眈眈的逆火轰炸机群和第三代战斗机，强调高速截击和空战能力。后来苏联解体，台独猖獗，又多了新的对手：海峡对岸的F-16。因此歼十的设计必须兼顾高空高速性能和中低空格斗能力。它采用的是中距耦合，鸭翼和主翼保持一定距离，又不像台风那么远，兼顾了配平和涡升力，但同时也对主翼的流场带来了复杂的影响。
成飞没有像欧洲双风那样刻意回避鸭翼带来的气动缺陷，而是迎难而上，采用了极其复杂的气动设计：大面积变弯度带上反的鸭翼，增强配平和俯仰控制能力；主翼具有大幅度的气动扭转，内外翼段采用不同翼型、分别扭转以应对不同状态下鸭翼涡流的不利影响，获得最大的升力特性；后机身收腰，应用面积率减少鸭翼增大带来的阻力。成飞从早年的歼-9开始，专注研究鸭翼已经超过四十年，对鸭式气动布局的理解世界上无出其右。歼十用三代机里最复杂的气动设计和超强的飞控协调，收获了所有鸭式的优势，避免了诸多缺陷，堪称完美。
▌歼十俯视图，鸭翼面积是所有三代鸭式布局飞机中最大的
▌歼十正视图，鸭翼上反，主翼内外段的扭转非常明显
但鸭式布局有一个天生的缺陷，在大仰角时鸭翼需要下偏，减小仰角以避免飞机产生上仰发散，继续抬头直到失速。当鸭翼仰角减小时，鸭翼涡不再扫过机翼，上翼面气流容易分离造成机翼失速。因此单纯的鸭式布局飞机，大仰角飞行能力并不算很出色，台风、阵风和歼十的无挂载状态下的无顾虑操作仰角限制都在28度以下。
而另一种三代机常用的增升装置：边条翼，翼面是固定的，无法偏转，在不同仰角下都可以持续拉出稳定的边条涡。采用大边条翼的F-18，空战挂载下可用仰角达到了50度。另一方面，固定边条无法控制边条涡的强度，需要襟副翼等其它气动面配合，效率低于全动鸭翼。
▌F-18E大仰角飞行时边条产生的强烈涡流
在讲歼-20的鸭翼之前讲了这么多三代机的鸭翼，是因为歼-20基本继承了歼-10的总体气动设计，可以看作是歼-10的超级魔改型（张局语录）。它也采用了大面积中距耦合鸭翼，鸭翼离主翼的距离比歼-10还远，配平能力很强，超音速机动性突出。
▌歼-20的鸭翼和主翼距离较远，鸭翼处于座舱后方，不影响飞行员的视界。
常规的鸭翼安装位置都比主翼高，以便鸭翼的下洗气流在主翼上处于合适的位置。歼-20为了追求隐身效果，鸭翼和主翼的翼根必须在同一水平面上，以减小雷达反射源。因此采用了鸭翼上反，主翼下反并带有气动扭转的特殊设计，在隐身和气动效率上取得了很好的平衡。
▌歼-20正视图，鸭翼上反，主翼下反，外翼段可以看出明显的扭转
针对涡升力不足，以及大仰角飞行问题，成飞在鸭翼和主翼之间增加了一个边条。这个边条相当大，绝不是阵风上那个小到被大多数人所忽略的小边条，而成为一个独立的主涡流发生器。实际上在这个布局中涡升力主要来自边条涡和主翼前缘涡，鸭翼涡的主要作用是诱导了前两者的融合和叠加增强，同时鸭翼自身兼顾了配平和增升的作用。这样的组合涡系效应，既强于单纯的边条也强于单纯的鸭翼，达到了一加一大于二的效果，保障各种姿态下的大仰角飞行能力和强大的涡升力。
▌歼-20仰视图，鸭翼和主翼间由直线型大边条过渡
这样的组合带来的气动复杂性也是空前的。歼-20的涡流场由棱形机头产生的机头涡、鸭翼涡、边条涡和主翼涡构成，实际上尖锐前略的进气唇口也是一个涡流发生器，多达五个涡系相互作用，飞控研制的难度超乎想象。在早期的几架验证机上，鸭翼前的进气唇口处还有一个尺寸很小的边条，作用一是遮挡鸭翼安装轴，有利于隐身；二是拉出一个小的涡流，延迟鸭翼本身的失速。后面的大边条是带弧度的，类似于F-18E/F和枭龙上的哥特式边条，涡升力更强。在后续的原型机上取消了这个小边条，也把尖拱边条拉直为平直边条。主要的考虑可能还是简化流场和控制律的复杂性，气动上的红利已经足够，隐身性能则可以通过复合材料和吸波涂料来解决，或者实测下来差别不大。
▌歼-20 2001号验证机，鸭翼前方有一小段边条，鸭翼后的边条为尖拱形
其实鸭翼、边条这些都是三代机的技术，成飞在歼十和枭龙上都早已应用，但能综合应用在四代机上，完美融合到升力体和隐身设计中，说明中国在鸭式布局上已经远远地把欧洲甩在了后面。
▌歼-20生产型在飞行中各涡流发生器拉出的强劲涡流
小结：歼-20的鸭翼加边条的布局，充分发挥了配平和涡升力的优点，超音速机动性和大仰角飞行能力都非常突出。
- 全动垂尾 + 腹鳍 -
常规垂尾前部为固定翼面，只有后沿为可动舵面。在大仰角时机身会对气流造成遮挡，使垂尾的气动舵面效果下降，造成航向稳定性变差。为此，可用仰角越大，垂尾面积就必须相应增大。F-22的垂尾就异乎寻常的高大，不但结构重量大，阻力大，对侧向隐身也非常不利。
▌洛马工厂内正在安装F-22巨大的垂尾，靠左的部分为可动舵面
歼-20采用了外倾的全动垂尾，在四代机中还有T-50采用。当然之前的F-117和F-22的竞争对手YF-23也是全动垂尾。全动垂尾的好处是因为整个舵面都可以产生偏航力矩，垂尾的面积可以大大缩小，而且通过舵面差动，可以主动控制航向稳定性。和全动鸭翼一样，全动垂尾对飞控设计、材料、制造工艺的要求都非常高。
歼-20还装有一对腹鳍，这也是被军迷广为诟病的地方：其它四代机全都没有腹鳍，这个二、三代机上才有的腹鳍是技术的倒退，会破坏隐身，或者认为是个临时装置，试飞完稳定性够了就会拆除。
▌歼-20的全动垂尾，整个垂尾根部都有开缝，翼面可以绕安装轴转动；主翼下方就是腹鳍
其实这个腹鳍可以看作是垂尾在机身下部的延伸，当高速大仰角状态垂尾受机身遮挡效率下降时，腹鳍将完全处于干净的气流中，维持足够的航向稳定性。同时腹鳍几乎完全遮挡住发动机喷口的侧面，在发动机隐身设计不足的情况下起到了相当有效的弥补作用。见下图，粗略测算可以得出歼-20垂尾加腹鳍的总面积仅为F-22的四分之三左右。而且腹鳍是固定的，结构重量上会比可动的垂尾轻巧一些。
▌歼-20与F-22的尾翼面积对比，蓝色面积=红色的腹鳍+黄色的歼-20垂尾凸出部分，浅灰色部分就是F-22垂尾比歼-20多出来的面积（未考虑倾斜度，仅比较侧面投影面积。F-22垂尾的倾斜度略大，实际面积更大一些）
小结：全动垂尾加腹鳍的设计不会对隐身性能造成显著的影响，甚至比F-22单一的高大垂尾更好，而气动上的敏捷性和控制能力将超过F-22（忽略F-22矢量喷管的情况下）。
- 花絮 -
在地面试车时，歼-20经常将全动鸭翼和全动尾翼偏转到令人匪夷所思的角度，而且左右不对称。以致有网友大声疾呼要求有关单位对鸭翼尾翼进行加固，否则高速飞行时会被气流吹坏。其实大可不必担这个心，能造出这样的气动面，它的转轴强度绝对是经过无数计算、强度试验和风洞试验的。而且这样的偏转角度只是在地面时用于检查气动面的操纵状态，正常飞行时一般不会偏转这么大角度。降落后竖起鸭翼，或者垂尾分别向内侧偏转倒是可以当作巨大的减速板。不过歼-20遵循中国军机的传统是配有减速伞的，下图左上照片那个翻起的黄色圆筒就是减速伞仓。
为什么要设计出这么大的转动角度，飞行时是否也能转这么多，目前还是个谜，从未在飞行时被拍到过，也没有人做出过合理的解释。我的猜测，翼面可以瞬间倾转到一个大角度，改变了飞行状态后立即复位，而且可以两边差动，甚至鸭翼/垂尾四个气动面各自差动，这样带来的飞行状态变化真的是超出了人类的想象力。
▌地面试车时歼-20鸭翼、垂尾的各种状态
歼-20的气动面数量多达16个，包括鸭翼、边条、前缘机动襟翼、主翼、后缘襟翼、副翼、全动垂尾、腹鳍，再加上前面提到的至少五种涡流，气动之复杂世所仅见。要把所有这些元素融合一身，飞行控制律难度极高。早几年曾有传闻歼-20的飞控编写遇到瓶颈，现在已经量产，看来成飞顺利解决了所有气动难题。纵观目前世界上所有军机，气动设计无出其右。
- 超长机身的用意 -
歼-20面世后，有不少人质疑它那21米的超长机身，认为是设计不佳、无法合理控制机体容积造成的，并将它影射为歼-八第二，像人家F-22机长才18.8米嘛。机身超长，结构就一定很重，发动机又不给力，空战性能肯定不好，甚至有西方较权威的媒体分析歼-20这体型是架战斗轰炸机。
其实通过以上分析，我们可以看出源菱形机头+DSI进气道+鸭翼+边条+大三角翼，这样最终优化出来的气动布局也就基本决定了歼-20超长的机身长度，当然还通盘考虑了其它诸多因素。超长机身至少带来以下好处：
首先就是超音速巡航性能好，长宽比越大高速性能越好，无论飞机还是军舰都是如此，五短身材、臃肿不堪的F-35“肥电”就是最好的反例。
其次长机身为鸭翼和垂尾带来足够长的力臂，超音速机动性、稳定性和配平能力都特别出色。
长机身还带来巨大的机内容积，可以从容布置大型弹舱（歼-20的主弹舱比F-22更长更深，可以挂载更大型的弹药）、弯曲隐身的进气道、充足的电子设备空间，最重要的是可以拥有超大的载油量。
一直以来被神话了的F-22其实是架名副其实的短腿战斗机，它的原始设计是针对面积狭小的欧洲战场，对航程要求不高。虽然体型庞大，但为超音速性能加强了结构，导致机体密度过高，机内燃油比例较低。F22无外挂隐身构型的亚音速巡航作战半径为1000公里左右，超音速巡航作战半径只有720公里，还不及体积相似的F-15，在广袤的太平洋地区就显得非常吃力，转成进行前沿部署必须携带外挂副油箱。
▌短期前沿部署到冲绳嘉手纳基地的F-22作战中队，须携带大型外挂副油箱转场
而得益于超大的载油量和出色的升阻比，歼-20的航程估计超过4000公里，作战半径至少1500公里，比F-22超出50%以上。《顾诵芬文集》（歼八总设计师、中国飞机设计泰斗）中“八五”以来航空科技预研意见报告披露，20年前提出的中国四代机主要性能要求是：“在空中不加油的情况下，作战半径应完全覆盖周边国家的首都，覆盖日本全境”，这和最终研制出的歼-20作战半径是基本一致的。
最近网上登出了歼-20挂载四个大型副油箱试飞的照片（偶然摄于一场农村婚礼的背景中，被网友称为最牛婚礼助兴），如此配置的歼-20不加油航程可以达到六千公里，作战半径超过2千公里，直达关岛。这是F-22无法企及的，天生腿就没人家的长。
当然机身不是越长越好，也不是你想拉长就拉得长的，机体结构强度和重量问题会随之急剧恶化。苏-27虽然在航展上风光无限，但从设计之初就深受结构强度不足的困扰，不断改进不断补强，直到现在的第三代苏-35重新设计才彻底解决结构问题。
但不要再用传统飞机结构设计的老眼光来看待歼-20，它确实很长很大，却不见得就很重。中国研究开发激光3D打印技术已经超过20年，2015年的《国防科技工业军民融合发展成果展》上公开展出了激光3D打印制造的四代机钛合金主承力构件实物。现场工作人员介绍，“展出的这款飞机机身整体加强框，生产周期只有采用传统技术制造的五分之一，同时在强度、寿命等各项指标上，与传统工艺技术部件相比更加优秀”。沈飞的歼-15、歼-16、歼-31，商飞的C-919客机，都已经广泛使用了激光3D打印部件，包括需要承受粗暴着舰冲击的歼-15舰载机前起落架。
▌面积达到5平米的目前世界上最大尺寸机身主承力构件，四代战斗机构型
据专家估计，用传统锻压制造的F-22钛合金机体构件，如果使用中国的3D打印技术制造，在强度相当的情况下最多可以减少40%的重量。在歼-20光滑细腻的蒙皮之下，是充满中国创造精神的全新机体结构，强度大，重量轻，大大提高了飞机推重比。歼-20：我是身材高大，但是我的骨架身轻如燕
总结：歼-20超级复杂的鸭翼+边条+大三角翼+全动垂尾气动组合，将带来极为出色的超音速/亚音速机动性；尖锐的菱形机头、修长的升力体机身、大后掠角三角翼和优化的DSI进气道设计，可以保证优秀的超音速巡航性能。
下期预告：话说歼-20 - [3] 隐身设计 (上)