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 講點垂直尾翼與CCV吧
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dasha
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Posted - 01/20/2018 :  17:17:53  會員資料 Send dasha a Private Message  引言回覆
CCV過去都翻譯為控制構型載具(Control Configured Vehicle), 意味是依據控制上的需求去設計載具, 主要是指飛機, 由於最早宣傳的是F-16 CCV搞解偶飛行, 但實際上這名詞指的應該是與後來的無顧慮飛操(Carefree Flight Control)有關的概念, 設計飛機時依照控制上的需求去設計.
飛機設計是很多專業合作與互相妥協的產物, 但歷史上也看得到一些以某單一優先為最高需求出現的設計, 比方飛翼機XB-49, 垂直起降機Harrier(AV-8), 匿蹤機F-117等, 這種設計常常會有若干怪癖, 比方XB-49的幾乎無法操控, Harrier難看的航程, 這是因為其他能力都配合這一需求大幅犧牲的後果.
而在飛機設計中, 氣動力, 引擎, 結構材料, 武器航電這些, 都是比較早成立的次部門, 所以比較早就有專門負責單位, 但飛行控制卻是在相對較晚的時候才出現的一塊, 以前分由氣動力/機械/結構等部門負責, 很晚才整合, 因此會出現F3H水平尾翼起降失效導致的高失事率, 以及解決這問題修正出來的F4H穿音速滾轉率幾乎為0的弱點等, 就是因為過去飛行控制只能靠總工程師的經驗處理.

技術概念講一個段落後, 改從歷史角度切入, 有個說法, 要不是人看到昆蟲與鳥能飛, 人類根本不會想飛; 但因為是看到鳥才會想學鳥飛, 讓19世紀與那以前設計的飛機, 大部分都是模仿鳥, 特別是不只看得到還聞得到吃得到的那些鳥, 有個不製造升力但容易讓人想到烤雞的胖機身, 所以不好飛.
直到萊特兄弟, 他們的飛行者就是先弄一個機翼, 然後再把不得不放的東西想辦法堆上那個機翼, 等於是飛翼設計的變形, 使得他們的飛機設計擁有最大的升力, 才飛得起來. 而讓他們飛機不像飛翼的東西, 就是前置的俯仰控制翼, 以及後置的偏航控制翼, 而且都是全動式的, 盡量增加控制權, 以便人工維持飛機直飛.
雖然後來的飛機造型改變, 但早期的飛機垂直尾翼多半很接近全動式設計, 以便需要調整機首左右指向時, 能用最小的面積獲得最大的控制力.
只是隨著氣動力學發展, 人們發現造成飛機不穩定的因素, 在於側風對機身與機翼的影響, 而這些影響可以利用一些固定設計抵銷, 比方主翼上反角產生滾轉自然穩定, 重心在升力中心之前產生的俯仰自然回復, 一定面積的垂直尾翼帶來偏航自然穩定等, 因此1930年代以來飛機的垂直尾翼, 常常就有一大塊固定, 只剩後面一小塊可動, 平常就自然穩定, 有必要時調整一下偏航就好; 假如引擎產生的扭力太大, 甚至會把垂直尾翼偏一點小角度, 同時抵銷扭力的負面影響.
雖然增加固定面積部分的垂直尾翼後, 讓機身後方的面積與重量增大, 但以現在的說法而言, 這就是屬於控制構型載具概念的先天穩定控制路線.

但是進入噴射超音速飛機時代, 由於引擎放在後面造成的重心偏後, 以及超音速飛行的氣動力中心後移, 造成超音速機的垂直尾翼面積需求大幅增加, 就有些飛機又開始考慮全可動垂直尾翼, 放棄能帶來自然穩定的固定部分設計, 希望縮小垂直尾翼的面積, 以及相關的阻力與結構重量, 這時就需要解決垂直尾翼縮小後造成的先天不穩定問題, 而用自動控制技術去進行人工穩定控制.
美國先這樣搞的飛機, 是XB-70, A-5, SR-71等機, 但是狀況很糟糕, 常有故障, 甚至還摔機, 所以後來美國就不太做全可動垂直尾翼, 即使是最好能縮小垂直尾翼面積的F-22/35, 也還是保留垂直尾翼的固定部分, 只剩F-117與YF-23; EF2000在1984年的設計案還有全可動垂直尾翼設計, 1985年以後的設計才取消.
但沒有吃過虧的蘇聯Tu-160, 俄羅斯Su-57, 以及大陸的J-20, 就用全可動垂直尾翼設計, 讓垂直尾翼需要的面積縮小. 雖然現在有比較先進的控制技術, 但機械上是否夠可靠, 或許需要等到2030年, 這些飛機累積足夠飛行時數後, 再來看爆料.

CCV技術還有其他很多層面, 也影響F-22以後的戰鬥機飛控設計, 這個有機會再說.
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