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晨枫老苑:战斗机为什么需要双垂尾 |2024-02-03

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传统战斗机都是单垂尾的

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但现代战斗机越来越多采用双垂尾了

传统战斗机都是单垂尾的。第一架主流的双垂尾战斗机可能要算米格-25,然后就是美国“十系列”,四兄弟里一家伙三兄弟都是双垂尾(F-14、F-15、F-18)。进入第四代(欧美称为第五代,不知道什么时候中外可以在名称上统一起来)后,清一色都是双垂尾了。战斗机为什么需要双垂尾?

什么飞机都需要垂尾。这主要不是转弯用的。飞机不比汽车,汽车转动前轮,靠轮胎与地面的摩擦力就能使得车子转弯。空气的摩擦力太低,飞机在飞行中,如果靠垂尾后缘的方向舵使得机体指向偏转,在很小幅度的微调的时候还有用,但大幅度转弯而没有其他措施配合,很可能就是“歪着脑袋”的侧滑,身子转过来了,但行动方向没有怎么变,好比汽车在冰面上大幅度打方向盘的时候一样。

飞机需要侧向的“升力”才能大转弯,这是通过横滚来实现的。需要向左转弯的时候,向左适度横滚,这样,左低右高的机翼产生的升力指向左上方。根据力的分解,左倾的机翼在产生升力的同时,还产生向左的侧力,这是向左转弯的主要力。因此,民航机为了节油和减阻,有时甚至不用副翼形成横滚,而是通过部份燃油向左机翼的翼内油箱转移,以完成缓和的左转弯。完成转弯后改平,恢复直飞。右转弯当然就是反过来。

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飞机是有尾舵的,但尾舵能导致机头指向偏转,未必导致飞机转弯

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飞机是靠横滚转弯的,不是靠尾舵转弯的

垂尾的主要作用是靠气动力自然稳定前进方向,类似箭矢尾端的羽翼。重心同时是转动的轴心。在直线飞行时,迎面气流对飞机左右两侧的压力是一样的。但由于某种气流扰动,飞机出现向右的偏航,迎面气流作用在重心前的侧面积上的压力使得飞机继续右转,但作用在重心后的侧面积上的压力则使得飞机向左回转。显然,要使得飞机的飞行在水平方向上自然稳定,需要重心前的侧面积小于重心后的侧面积。这正是垂尾的主要作用。也正因为此,垂尾的大部分是固定的,只有尾舵是可动的。

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箭没有尾羽的话,飞行会高度不稳定,一点准头也没有了

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飞机也一样:重心后的侧面积大于重心前的侧面积的话,飞机在水平方向上就是稳定的

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垂尾的大部分是固定的,可偏转的尾舵用来改变机头的指向,但不导致转弯,尤其是大转弯

换句话说,垂尾的面积首先就是由重心后的侧面积大于重心前的侧面积这个要求决定的。但问题又没有那么简单。随着燃油的消耗,飞机的重心会有所变化,需要按照最坏情况设计。在此基础上,还需要留出一定的稳定性裕度,以应付恶劣气候的情况。

进入超音速时代,问题有点不一样。尾舵的铰链缝产生激波,导致尾舵效率降低,甚至失速,所以需要加大尾舵面积。另外,早期为了降低迎风阻力而采用低矮但宽大的梯形垂尾在实用中发现效果不好,面积够用,但有点迎角的话,就受到机体遮挡的影响,需要升高。

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F-4、米格-21这样的低矮垂尾阻力降低,但在实用中发现气动控制效果不好

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单垂尾战斗机垂尾高度不足的话,大迎角飞行时,垂尾的气动控制作用容易受到机身遮挡的影响

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F-104这样的T形尾更糟,在大迎角时可能平尾、垂尾一起失效,所以成为“寡妇制造者”

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以后的设计中,只能接受阻力代价,垂尾明显加高,平尾老老实实地低置

但垂尾加高是有限度的。过大的垂尾“翼展”大大提高垂尾的刚度要求,带来很大的重量。双垂尾可以有效低降低高度。同时,宽间距的双垂尾避开大迎角时机身的遮挡,“有效面积”更大,垂尾高度可以进一步更低。另一个问题是:舰载战斗机的航母机库有高度限制,垂尾需要低矮,否则折叠垂尾就重量、可靠性都恶化了。所以F-14、F-14殊途同归,都采用双垂尾。

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F-14和F-15出于不同的原因,都采用双垂尾

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而F-14的“原版”设计还是单垂尾的

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反过来,E-2D既要缩短机身,又要降低垂尾高度,还要补偿雷达圆盘对垂尾的遮挡作用,一气使用了四个垂尾。这是已知使用最多垂尾的飞机

所谓双垂尾增加机动性,不是说完全没有道理,但也是容易误导的。双垂尾加快改变机头指向还是做到的,但加快转弯是通过提高升阻比和推重比达到的。如前所述,转弯力的大头来自侧向的升力。大转弯时,需要大幅度拉横滚,机身几近侧立,同时大幅度拉起机头(往垂直于机翼平面的方向“拉起”,实际上是在接近水平的方向上“拉起”,不是垂直于地面的拉起),以产生最大的的侧向“升力”。这样产生很大的阻力,需要特别强劲的推力才能保持不至于失速。在这里,双垂尾的作用是与快速横滚拉起产生强大侧力的同时,配合完成机头指向的快速转向,以便快速转入转弯后的正常飞行状态。

最早的双垂尾就是双双直立的,没有内倾或者外倾的角度。在从F-18开始,双垂尾外倾了。

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F-18是第一种外倾双垂尾的主流战斗机,但这外倾不是为了隐身

F-18的外倾双垂尾不是为了隐身,而是为了避开机体涡流。F-18也是第一种采用大边条的战斗机。大边条用涡升力增加大迎角时的机翼升力,但由于时代局限,麦道对大边条还不敢太放手,这是“削颊”的S形大边条,形成强烈的向内上方翻卷的涡流。“削颊”是使得涡流沿边条边缘产生的时候 ,增加内卷,减少外溢。

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计算流体力学仿真显示的涡流发育情况

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最强烈的涡流产生部位是边条前端,“削颊”使得涡流有所内收,边条与机翼融合的部位不是强涡流发生器

按照计算和风洞测试,边条的涡卷应该向后、向上、向内发育、延伸。另一方面,F-18的机尾较简单,垂尾和平尾都直接安装在发动机的围护结构上,没有尾撑,所以双垂尾需要外倾,才能避开大迎角时的机身遮挡,尤其是要避开边条涡流的敲击。

应该注意的是,双垂尾的安装方式在F-14和F-15上是不同的。F-14采用宽间距双发,双垂尾正好装双发结构之上,比较简单。但F-15是窄间距双发,双垂尾还装在双发之上的话,间距太小。不仅在气动上互相干扰,也容易在大迎角的时候受到机身遮挡。所以F-15的机尾的发动机两侧还有向外扩展的尾撑结构,双垂尾安装在尾撑上,平尾也安装在尾撑上。

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