图说四代机如何实力甩得一手好涡

海格力斯

作者：glowing


       自战斗机引入涡流升力设计概念以来，在三代机得到广泛运用。其中两大典型设计一个是采用边条翼常规布局，另外一个是采用鸭式布局。都获得良好的升力特性，最大升力系数在1.6左右。而四代战斗机对最大升力系数的要求更高，但又要保持隐身性能中美俄三国都根据自身情况设计了不同气动布局。下面一些图片展示数款四代机的涡流升力设计特点。

       F22作为四代机的开山鼻祖引入了四代机的设计4S概念，在追求高机动的情况下又强调隐身特性，F22在采用常规气动布局并没有引入传统的边条翼，而是采用"三段式"涡流升力设计。所谓的三段式指的是机头的棱边、进气道口上表面前缘、进气道与主翼之间表面上缘窄边条，实际上是三组涡流发生器复合使用其效果与传统的边条翼相当或更为强烈，在保持了隐身性能情况下又获得了不亚于传统边条翼的升力系数。此外由于当时美国能设计产出的独霸天下F119推力失量发动机提供强劲动力，这也是F22没有过于追求复杂的气动布局的一个重要原因。




来一张F35拉涡图，其涡流升力设计概念与F22源出一系。


这个角度F35上缘窄边条清晰可见


       俄罗斯首款四代机T50采用常规气动布局也是没有引入传统的边条翼，采用的是可动边条加蝶形主翼复合涡流升力设计。其设计亮点是可动边条在产生可控涡升力上和鸭翼相当大于传统边条翼，加上与双三角翼的涡复合使用从而获得较高的增升系数。T50可动边条与前缘机身处接触部位开口且成大角度夹角并没有做隐身修形处理这也是被人诟病的一处。


        压轴出场的是我国的J20由于我国发动机工业水平不如美俄两国这也使得我国四代战斗机在气动布局上走了独辟蹊径道路。J20的气动设计思路源自于宋老的《一种小展弦比高升力飞机的气动布局研究》论文，文中提到“未来战斗机对最大升力系数的要求更高，再加上使用双垂尾会损失最大升力特性，因此必须把最大升力系数提高到一个更高的水 平。单纯采用边条翼正常式布局或鸭式布局形式，很难实现这个目标。”后提出使用升力体边条翼鸭式布局可使飞机的升力系数相对三代机的传统气动布局有显著提高，论文中附图的风洞实验数据显示采用升力体边条翼鸭式布局的战斗机最大升力系数高达1.81而传统的升力体翼身组合体升力系数只有1.25、单纯的升力体鸭式布局也只达到1.54。显而易见采用升力体边条翼鸭翼布局， 鸭翼、前边条和机翼三者之间产生了某种有利的耦合作用升力系数也达到更高效果。

《一种小展弦比高升力飞机的气动布局研究》论文中边条翼、鸭翼、鸭边条翼鸭翼布局风洞实验数据图



       J20的原型机和量产型机在气动布局涡流升力设计上相对J20验证机也有显著改进，在《一种小展弦比高升力飞机的气动布局研究》论文里提到由于四代机“强调隐身特性，未来战斗机机头剖面可能采用楔形或者扁的具有尖锐侧缘的盔形。这类剖面形状的机头具有较小的侧投影面积，且可以在固定位置产生稳定的脱体涡，对大迎角下的偏航稳定性是有利的。从另一个角度看，机头涡也可以产生非线性升力，从而导致非线性的抬头力矩。强烈的机头涡还可以与鸭翼涡 产生干扰作用，降低鸭翼的增升效率。因此，机头剖面形状的选取应当充分考虑到隐身、偏航稳定性、俯仰力矩特性和升力特性的要求，权衡折衷，求得 最佳综合效果。” 个人认为J20验证机气动布局上是舍弃了机头脱体涡，主要是考虑到机头涡产生的非线性升力。但在J20量产型机中经过机头修形，个人估计可能是根据风洞实验结果，通过机头修形引入了线性区机头涡达到更好的升力系数。此外J20量产型的前边条、进气道和哥特式边条也通过修形改为前极窄边条、进气道上缘下倾大约15°左右和斜直边条。这些设计修改个人理解为主要是当J20机身迎角超过一定°数时让机头涡与前边条涡复合流到脊背、斜直边条涡与主翼的前端襟翼涡复合、鸭翼涡被边条涡的气流内推向内机身，总体来说主要是加强涡系复合。可以看见J20迎角15°后的涡流升力会明显幅度增长而在小迎角的时候采用控制涡系复杂程度涡流升力设计。总体来说在J20量产型在涡流升力设计上较J20验证机有明显进步，此外哥特式边条改为斜直边条、前边条改为极窄边条也是考虑隐身特性的原因。

J20验证机拉涡


J20量产型拉涡



J20验证机与量产型进气道上缘对比，验证机气道上缘是平行的。

J20量产型进气道上缘下倾大约15°左右