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[平台总体] 歼20腹鳍之争:答案在ATF中寻找

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发表于 2019-3-14 20:00 | 显示全部楼层 |阅读模式

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关于歼20腹鳍的争论可以说是一个经久不衰的问题了。

有的人认为腹鳍在现代战斗机中似乎用的越来越少,所以是“落后”“技术不过关”的象征,比如有的人会说“阵风、台风、鹰狮、F22、F35、苏57都没有用腹鳍,腹鳍是落后技术还有什么疑问吗,你们不承认只是在自我欺骗而已”;有的人认为“腹鳍肯定会影响隐身,是不应该出现在隐身战斗机上的累赘,歼20最大/第二大的败笔就是腹鳍”;还有的人认为“腹鳍只是一种技术手段,采用腹鳍肯定是有道理的,为什么要给贴一个落后的标签不可呢?”

每次一扯到腹鳍,都会瞬间盖起摩天大楼,满楼都是口水,但细细看下来真正想了解歼20的腹鳍是怎么装上去的却几乎没有。

要我说,想了解歼20的这个腹鳍是怎么回事、腹鳍到底“落后”还是不“落后”,答案应该从美国当年的ATF中中寻找。

(注:ATF,先进战术战斗机,简单点说就是诞生了一代名机F-22的计划)

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 楼主| 发表于 2019-3-14 20:01 | 显示全部楼层

RE: 歼20腹鳍之争:答案在ATF中寻找

这里首先介绍一下:我们都知道隐身战斗机为了兼顾机动性和侧向隐身,会采用双外倾垂尾;而延续自三代战斗机的高机动需要,四代机也会有边条、鸭翼等涡流发生器,这就带来了一个问题:涡流一般从边条和机翼向外流动,流动到外倾双垂尾外侧,形成低压区;而双垂尾内侧则使高压区,压力差产生了一个作用在垂尾上的斜向下的力,抵消了一部分升力,还产生了不稳定的俯仰力矩。前者使得四代机费尽心思的各种增升措施效果弱化,后者则带来控制上的难题。



此外,由于涡流气流的方向是向外,会吹拂垂尾的内侧,这同样在垂尾上产生了斜向下的力,造成的后果是相似的
来流方向向外冲击外倾垂尾.jpg
涡流在垂尾外侧形成低压区.jpg
涡流在外倾双垂尾外侧形成低压造成负升力.png
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 楼主| 发表于 2019-3-14 20:01 | 显示全部楼层

RE: 歼20腹鳍之争:答案在ATF中寻找

TF的本意并不是开发一种4S战斗机,而是开发一种新的战斗轰炸机,同时对未来战斗机进行探索。载歌载舞到1983年,美国空军突然向各大厂商传达:ATF将是一种集合隐身、高机动、短距起降、超音速巡航的革命性空优战斗机,尤其是隐身被正式确定为必不可少的性能指标。

我们现在都知道ATF的赢家是洛克希德马丁的F-22。但需要记住,在1983年洛马并不是最被看好的那个——最被看好的是刚刚研制了F-15的麦道公司,以及F-16的缔造者:通用动力。

通用动力实际上很早就开始探索隐身技术,在ATF在早期阶段还提出了飞翼隐身战机“酒渣”方案。结合F-16的研制经验和“酒渣”,通用很快勾勒出了自家方案:

这个方案采用两侧进气布局,和F22类似的进气道、菱形机头。为了隐身和减重,通用选用了没有任何控制面的无尾三角翼布局,在主翼后缘采用了复杂的锯齿设计。可以看出通用在这架飞机的隐身性能上是很下功夫的。
通用ATF方案发展脉络.png
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 楼主| 发表于 2019-3-14 20:02 | 显示全部楼层

RE: 歼20腹鳍之争:答案在ATF中寻找

然而,涡流和外倾双垂尾之间的冲突在风洞测试中浮出了水面。为此通用不是没想过办法:比如把双垂尾放在翼尖避开涡流影响;再比如使用内倾斜双垂尾,把斜向下的力变成斜向上的力,这样还能增加一点升力······然而这些方案都被放弃了,原因很简单:不管是斜向上还是斜向下的力,只要这个力存在就会产生额外的俯仰力矩,而无尾三角翼的飞机没有鸭翼或尾翼去平衡这个力矩,造成飞机不可控。




通用动力实在不愿意放弃无尾三角翼,但又找不出很好的办法兼容外倾双垂尾。最后他们给出的方案近乎于放弃治疗:牺牲掉侧面隐身,使用单一超大垂尾。这种方案会失败也在情理之中。不过我们不能苛责通用的工程师:毕竟他们和其他ATF单位一样没有多少时间。洛马最后提交的090P和通用方案(考虑的很多,但一看就不咋地)相反,虽然看起来不错,不过细节漏洞白出,完全是仓促制作,却意外得到空军芳心。
最终方案:通用尽(放)力(弃)了.png
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 楼主| 发表于 2019-3-14 20:03 | 显示全部楼层

RE: 歼20腹鳍之争:答案在ATF中寻找

那么F22是怎么解决这个问题的?答案是:没有解决

根据成飞和南航发布的一篇论文,他们建立了F22的模型,进行计算机流体力学仿真,结果是边条涡流和外倾双垂尾的矛盾依然存在
“对边条翼双垂尾布局的垂尾导致大迎角升力减小现象的机理进行了研究。采用CFD方法分析一个类似于F-22战斗机的模型,发现在低速大迎角条件下,脱体涡流经垂尾外侧;垂尾下部附近气流方向向后并向外;垂尾外侧存在低压区,而垂尾内侧和垂尾间的机身上表面存在高压区。认为脱体涡在垂尾外侧表面产生吸力,在涡核下方诱导出向外的速度分量,致使垂尾处于"侧滑"气流中,从而使其表面压力内高外低,除了产生指向外侧的法向力外,也传递内侧高压至机身上表面。外倾垂尾上向外的法向力和机身上表面的高压区,是减小大迎角升力的直接原因。
……
在研究中发现,边条翼双垂尾布局方案,在大迎角飞行条件下其垂尾会经历比较严重的抖振;同时,垂尾的存在会明显降低最大升力,伴随产生不利的抬头力矩。对于前者,国内外都做过大量的研究 。对于后者,已发表的研究结果很少,除了吕志咏等人的研究外,未见其他报道。吕志咏等人对一个三翼面双垂尾布局进行了风洞流场观测试验,认为双垂尾使机翼涡提前破裂,从而致使最大升力下降。“

洛马的工程师应该不是没有去对应这个问题——早期的F-22方案采用的是比较靠后的、类似于F-35和FC-31 2.0的后掠垂尾,后来改成了比较靠前的前缘后掠、后缘前掠垂尾,便能一定程度上缓解俯仰力矩的问题。
F22计算机流体力学分析论文.jpg
F22同样存在向外撇的气流向外冲击垂尾的问题.jpg
F22涡流气压分布,可见蓝色低压区在垂尾外.jpg
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 楼主| 发表于 2019-3-14 20:05 | 显示全部楼层

RE: 歼20腹鳍之争:答案在ATF中寻找

那么歼-20是怎么解决的呢?:分以下几步:
1、        减小垂尾面积,以此减小斜向下的力的大小
2、        采用全动垂尾,主动适应来流方向,消除气流冲击产生的斜向下的力
3、        安装双倾斜腹鳍,弥补垂尾面积小损失的偏航控制能力和大迎角偏航稳定性
4、        针对隐身性能,使用吸波蜂窝材料制作整片腹鳍,值得注意的是这种材料的强度不足以制作垂尾,但可以制作腹鳍

这一套组合拳就是为了解决前面提到的问题,所以必须要记住:
歼20腹鳍不是一个孤立的部件,而是解决一个问题的一系列措施的其中一环,而且针对隐身采取了独特的材料措施予以解决

我姑且不评价这套组合拳效果如何,但我认为611所的工程师们所想出来的这套方法,比通用放弃治疗的单垂尾要精细多了。
腹鳍隐身材料.jpg
歼20全动垂尾主动适应来流方向示意图.jpg
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 楼主| 发表于 2019-3-14 20:06 | 显示全部楼层

RE: 歼20腹鳍之争:答案在ATF中寻找

最后再谈一个问题:腹鳍是“落后”部件吗?

其实我们可以看另一个例子:进气锥是“落后”部件吗?

进气锥,无论是活动式还是固定式,作为解决超音速进气的手段,最早应用在F-104和米格-21上,是5-60年代的先进技术(早期F-104宣传照甚至要特意遮挡进气道),但在60年代以后迅速被进气斜板取代。F-15、苏-27、米格29、歼10、鹰狮等都是使用进气斜板,更进一步发展的还有斜切式固定进气道。原因很简单:进气锥的重量比进气斜板重,但效果却没有什么差别。而只需要特定优化速度段的三代机四代机连可调式进气道都不需要,自然是怎么轻怎么来!

从这个角度看,进气锥确实是“落后”部件?

然而在F-23 EMD上,进气锥却再度复活。为什么集高新技术于一身的F-23要使用进气锥呢?
原因如下所述:
“YF-23使用的切斜式固定斜板进气道最终暴露出在高机动特别是高AOA机动下会有某些溢流和流场畸变问题,最后决定在EMD上改用这种进气锥+多齿形的进气唇口。”(超大网友raptor82)

由此可见,从时间轴上来看更“先进”的切斜式固定斜板进气道,并不适合F-23,反而是“落后”的进气锥更适合。

说到底,很多航空设计要素没有绝对的“先进”“落后”之说,只有“适合”“不适合”之说,而这既要看发展潮流也要看自身取舍。硬要给一种设计贴上标签一棍子打死,是一种无可救药的死脑筋。
F-23EMD没有采用时髦的固定斜切而是用了“落后”的进气锥.jpg
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发表于 2019-3-14 20:08 | 显示全部楼层
一句话,腹鳍不是中国发明的,靠这个来喷中国,有点扯了。
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发表于 2019-3-14 20:17 | 显示全部楼层
因为只剩下中国人在用,所以必须是落后的。中国人会的技术,还能叫高科技吗?
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发表于 2019-3-14 20:19 超大游击队员 | 显示全部楼层
综合考虑,谁叫中国没有美国那样的发动机呢,整体设计,不必只看一点
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发表于 2019-3-14 20:21 | 显示全部楼层

RE: 歼20腹鳍之争:答案在ATF中寻找

人类自创世之初便有三大罪恶:
1,J20的鸭翼
2,j20的腹鳍
3,J20的长度

简直恶贯满盈
104627gyjdwa229d29sllz.jpg
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 楼主| 发表于 2019-3-14 20:21 超大游击队员 | 显示全部楼层
听风看月 发表于 2019-3-14 20:19
综合考虑,谁叫中国没有美国那样的发动机呢,整体设计,不必只看一点

和发动机关系不大,歼20的目标发动机是WS-15而不是WS-10,WS-10只是权宜之计,犯不上被权宜之计框死。
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发表于 2019-3-14 20:22 | 显示全部楼层
本帖最后由 chen9714120 于 2019-3-14 20:25 编辑

LZ讲了一大通理论和逻辑,其实这些逻辑除了小学生谁不知道。
那些攻击J20腹鳍的真的是因为腹鳍可能增加飞机的RCS?
他们攻击是因为J20是中国自己的飞机,自己研发的高性能飞机,这才是他们攻击的原因。
中国人没有老老实实的做外国人的奴隶才是他们攻击的原因。
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发表于 2019-3-14 20:37 超大游击队员 | 显示全部楼层
非常好的科普文,感谢楼主!
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发表于 2019-3-14 20:41 | 显示全部楼层
腹鳍是起到垂直安定面的作用?
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发表于 2019-3-14 20:45 | 显示全部楼层
楼主的空气动力学功底在cd可以排前几了
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发表于 2019-3-14 20:52 | 显示全部楼层

RE: 歼20腹鳍之争:答案在ATF中寻找

chen9714120 发表于 2019-3-14 20:22
LZ讲了一大通理论和逻辑,其实这些逻辑除了小学生谁不知道。
那些攻击J20腹鳍的真的是因为腹鳍可能增加飞 ...

这就像有些人,对自己家人总是那么苛刻,但是对于外人总是处处礼让迁就
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发表于 2019-3-14 20:58 | 显示全部楼层
谢谢科普!
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发表于 2019-3-14 21:00 超大游击队员 | 显示全部楼层
贴是好贴,但对于喷子和钻牛角尖的人来说,多半是依然无用。
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发表于 2019-3-14 21:00 超大游击队员 | 显示全部楼层
难得的科普文,有理有据
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发表于 2019-3-14 21:01 | 显示全部楼层

RE: 歼20腹鳍之争:答案在ATF中寻找

qtn 发表于 2019-3-14 20:52
这就像有些人,对自己家人总是那么苛刻,但是对于外人总是处处礼让迁就

叛徒比侵略者更加凶狠和无耻。
因为其他人依靠自己的努力做出优秀的成绩,让那些买办们整天喊着中国人天生比外国人低一等的理论破产了,买办们会想尽一切办法来消灭那些成绩,如果不能消灭那就去侮辱、贬低那些成绩。
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发表于 2019-3-14 21:01 超大游击队员 | 显示全部楼层
我再提一个日本的f3设计的平尾下偏代替腹鳍作用,以减少平尾
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发表于 2019-3-14 21:12 | 显示全部楼层
控制面越多,隐身难度越大
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发表于 2019-3-14 21:14 | 显示全部楼层

RE: 歼20腹鳍之争:答案在ATF中寻找

chen9714120 发表于 2019-3-14 21:01
叛徒比侵略者更加凶狠和无耻。
因为其他人依靠自己的努力做出优秀的成绩,让那些买办们整天喊着中国人天 ...

是啊,我上次在网上说华为手机好,结果莫名其妙被一群三星的喷子骂个狗血喷头,问题是我连三星一个字都没有提,居然也会遇到这种事情,对方恨不得把我祖宗八代都给骂遍...说句老实话,我对国内媚外的情况很是担忧,而且这群人的比例还不小,精日、精韩、精西方,居然还有人精印度,精越南,无语啊,学校怎么教育价值观的,还是这群人的父母本身就有意识认知错误的问题?这是个谜~~~
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发表于 2019-3-14 21:25 | 显示全部楼层

RE: 歼20腹鳍之争:答案在ATF中寻找

本帖最后由 LantianYY 于 2019-3-20 22:38 编辑
认为双垂尾使机翼涡提前破裂,从而致使最大升力下降

Low-Speed Wind Tunnel Buffet Testing on the F-22
大概18°AOA时F-22的机翼涡就开始受垂尾影响

Low Speed Wind Tunnel Buffet Testing on the F A-22101.jpg

22°AOA时涡在垂尾前段破裂
Low Speed Wind Tunnel Buffet Testing on the F A-22201.jpg

在垂尾根部留下的流痕
Low Speed Wind Tunnel Buffet Testing on the F A-22205.jpg
国内对F-22大迎角机动时涡流破裂的情况和对垂尾冲击抖振的分析


对了把F-35也算上,爷俩一个样
F-35 Structural Design, Development, and Verification1101.jpg
MP-AVT-123-19202.jpg
F-35机动时背部气流流动情况(可以看到当地气流同样和垂尾有夹角),以及脱体涡对垂尾的影响
CFD Predictions of Wing Pressure Distributions on the F-35__at Angles-of-Attack .jpg
CFD Predictions of Wing Pressure Distributions on the F-35__at Angles-of-Attack .jpg


在背部加上像F/A-18C/D一样的扰流片可有效缓解涡流破碎
Low Speed Wind Tunnel Buffet Testing on the F A-22203.jpg
Low Speed Wind Tunnel Buffet Testing on the F A-22204.jpg


不过也仅能发挥作用到32°AOA之前
Low Speed Wind Tunnel Buffet Testing on the F A-22601.jpg
F-35加扰流片的效果
MP-AVT-123-191201.jpg


F-22的气动设计比较早了,大垂尾肯定会带来较大的重量和阻力的
F22Spr11901.jpg
波音说了去掉垂尾能减去10%的零升阻力
5029c8bf6c81800ae18a9fb9bd3533fa838b478f.jpg
为了满足高攻角时振动的强度F-22的大垂尾需要额外加强结构的
F_A-22 Vertical Tail Buffet Strength Certification1202.jpg
F_A-22 Vertical Tail Buffet Strength Certification1201.jpg
F_A-22 Vertical Tail Buffet Strength Certification601.jpg



取消垂尾能减少跨音速阻力和各向RCS
2019-03-14_205709.jpg

J-20怎么减重减阻?就是靠减小气动稳定面和控制面咯(数据来自某某某某的三维分析及弗吉尼亚理工大学航天与海洋科学系的分析作业)
先进战斗机的重量发展趋势研究802.jpg
2019-03-14_211958.jpg
J20Spr11402.jpg

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发表于 2019-3-14 21:32 超大游击队员 | 显示全部楼层
LZ有心了,点赞
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发表于 2019-3-14 21:34 | 显示全部楼层

RE: 歼20腹鳍之争:答案在ATF中寻找

qtn 发表于 2019-3-14 21:14
是啊,我上次在网上说华为手机好,结果莫名其妙被一群三星的喷子骂个狗血喷头,问题是我连三星一个字都没 ...

        我一个亲戚的大哥是大学校长,跟他一起吃饭的时候,整个饭桌上就听见他说中国不好,外国有多民主,多文明。
       可是他家里以前穷的要死,完全就是靠现在中国的教育制度才有机会成才,才能到大学校长这个地位的。
      人性呐,斗米恩升米仇。
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发表于 2019-3-14 21:39 超大游击队员 | 显示全部楼层
本帖最后由 xkaiser 于 2019-3-14 21:41 编辑

终于有人有耐心把这个贴出来了,呵呵。赞。
不过不是所有人都能看懂,前面若干楼已经出现谬论装懂贴了,偏执情绪化的群体依然不会仔细看完就开始执着的发僵尸争论贴。

发这类贴的一般都基本概念缺失,对于涡流更是看不懂,怎样躲避涡流以及双倾垂尾为什么产生负压更是晕菜。j20每个细节的天
才设计类似边条翼,全动小垂尾,进气道修形等更是无法领会,特别是j20对涡流丧心病狂的极限使用。

楼主准备接招吧,呵呵。
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 楼主| 发表于 2019-3-14 21:39 | 显示全部楼层

RE: 歼20腹鳍之争:答案在ATF中寻找

mayu137 发表于 2019-3-14 21:01
我再提一个日本的f3设计的平尾下偏代替腹鳍作用,以减少平尾

F-3最新DMU的平尾下偏还不知道是什么原因。。。也有人说是因为解决不了主翼尾翼耦合的问题所以走了F-2的回头路,不过它的垂尾确实比较小
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 楼主| 发表于 2019-3-14 21:42 | 显示全部楼层

RE: 歼20腹鳍之争:答案在ATF中寻找

dongxuan 发表于 2019-3-14 20:45
楼主的空气动力学功底在cd可以排前几了

没什么空气动力学功底,我也就是整理了一下cd大神以前的资料,LantianYY大大才是真的厉害
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发表于 2019-3-14 21:44 | 显示全部楼层
在批判中进步,不必过分在意无畏的声音
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 楼主| 发表于 2019-3-14 21:44 | 显示全部楼层

RE: 歼20腹鳍之争:答案在ATF中寻找

LantianYY 发表于 2019-3-14 21:25
Low-Speed Wind Tunnel Buffet Testing on the F-22
大概18°AOA时F-22的机翼涡就开始受垂尾影响

感谢大大捧场,这样关于F-22的资料就详细多了,而且有海外的资料结合国内资料会更有说服力
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发表于 2019-3-14 21:45 | 显示全部楼层

RE: 歼20腹鳍之争:答案在ATF中寻找

NIRGUN 发表于 2019-3-14 21:39
F-3最新DMU的平尾下偏还不知道是什么原因。。。也有人说是因为解决不了主翼尾翼耦合的问题所以走了F-2的 ...

截图。。。。
截屏_20190220_173149.jpg
截屏_20190220_173022.jpg
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发表于 2019-3-14 21:46 超大游击队员 | 显示全部楼层
NIRGUN 发表于 2019-3-14 20:06
最后再谈一个问题:腹鳍是“落后”部件吗?

其实我们可以看另一个例子:进气锥是“落后”部件吗?

如您所述腹鳍是蜂窝透波材料,敢问复材如何安装时铆接还是学日本胶水啊?细节如何处理,如果是透波材料那之前所谓侧后方遮挡雷达恐怕就是唯心的,顶多抑制红外信号,从黄皮机上来看并能判定腹鳍部位是或者不是运用复材等,相反按照之前普遍的推论,土黄色为传统结构和蒙皮,青绿色为复材您认同吗?
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发表于 2019-3-14 21:47 超大游击队员 | 显示全部楼层
dongxuan 发表于 2019-3-14 20:41
腹鳍是起到垂直安定面的作用?

楼主己经说得很清楚了,抵消双垂尾向下的扭矩,同时配合小型双垂尾起一些安定面的作用。至于是不是遮挡尾喷口,这倒没有明说,只是提到腹鳍是夹芯复合村料做的,可以减小一些信号特征。
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发表于 2019-3-14 21:54 | 显示全部楼层
鸭翼这种布局感觉在超音速时总是有方向性不稳定的问题,所以才装腹鳍。
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 楼主| 发表于 2019-3-14 21:54 | 显示全部楼层

RE: 歼20腹鳍之争:答案在ATF中寻找

本帖最后由 NIRGUN 于 2019-3-14 21:56 编辑
未知视界 发表于 2019-3-14 21:46
如您所述腹鳍是蜂窝透波材料,敢问复材如何安装时铆接还是学日本胶水啊?细节如何处理,如果是透波材料那 ...


仔细看,不是透波材料,是吸波结构层合板,还是宽频的,安装的话我估计就是铆接。
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发表于 2019-3-14 21:56 超大游击队员 | 显示全部楼层
LantianYY 发表于 2019-3-14 21:25
Low-Speed Wind Tunnel Buffet Testing on the F-22
大概18°AOA时F-22的机翼涡就开始受垂尾影响



机头扰流片和翼刀一样都是过渡型设计,能缓解问题,但并不能彻底解决问题,甚至在某些状态下带来一定的负面效果。保稳定的同时,对涡流的使用却是一种浪费。

F22如果没有变态发动机,其垂尾设计可以称之为失败设计。

j20的设计把之前的这些“将就型”设计大都克服的同时还增容不增重,叹为观止。
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 楼主| 发表于 2019-3-14 21:58 | 显示全部楼层

RE: 歼20腹鳍之争:答案在ATF中寻找

全国CTA代理培训 发表于 2019-3-14 21:54
鸭翼这种布局感觉在超音速时总是有方向性不稳定的问题,所以才装腹鳍。

我都放了这么多资料,说明腹鳍是应对外倾双垂尾和涡流干扰的了,到头来您还是凭“感觉”?可是阵风台风也没有腹鳍啊,咋还成鸭翼布局的锅了?

哎真是白费力气
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发表于 2019-3-14 21:59 | 显示全部楼层

RE: 歼20腹鳍之争:答案在ATF中寻找

NIRGUN 发表于 2019-3-14 21:44
感谢大大捧场,这样关于F-22的资料就详细多了,而且有海外的资料结合国内资料会更有说服力

不过那个只是本科生用经验公式套的算法,我只是大致取他算的翼面积和阻力作为参考,J-20的结构重量是多少还需要更多的参照相似气动布局的战斗机来计算,比如麦道的ASTOVL,里面的重量估计精确到了涂料重量和子系统重量,很有参考价值
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STOVL strike fighter - Single or twin_501.jpg

之前CD有人用体积算J-20结构重量,不过我认为还是按蒙皮表面积更接近一些,因为像YF-23的垂尾这样的机翼结构可用体积很小重量却有大几百千克
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