爱吱声

标题: 人字形机翼：战斗机机翼的新潮流 [打印本页]
作者: 晨枫    时间: 2024-5-19 06:45
标题: 人字形机翼：战斗机机翼的新潮流
飞机能飞的奥秘在于机翼，机翼是飞机的核心。战斗机作为高性能飞机的代表，战斗机机翼一直代表机翼设计的前沿，从二战前后的平直翼，发展到战后的后掠翼，然后是超音速时代的三角翼，如今是隐身时代的人字翼，也成兰姆达翼，兰姆达为看起来像人字的希腊字母。
, m! }  a: t2 k+ _% e! l3 ^/ D' I5 e1 I5 a3 c: W1 q( o2 u
在30年代，飞行速度尚未超过500公里/小时，但阿道夫·布斯曼已经开始研究超音速飞行的问题。超音速飞行首先需要解决激波阻力。
: {, ^6 \- V3 {9 Z/ ?% `- P6 E& N0 n& Q
飞行体在超音速飞行时，前方的激波好比无形的大伞，顶着大伞前飞当然阻力巨大，平直翼简直就是顶着门板在飞了。布斯曼发现，如果机翼前缘后掠，来流可分解为流向（顺着飞行的方向）和法向（垂直于机翼前缘）两个份量。不管自由流的速度是多少，法向速度低于音速就可避免激波阻力。这就是后掠翼的理论基础。
3 S& u2 n- b+ b0 |- v0 E) j6 O2 W1 w) J5 `. D2 _
+ U; j/ h6 N7 E# c, K( B
机翼前缘后掠可以把气流速度分解为法向和流向两个分量，只要法向分量不超过音速，就可避免激波阻力的产生
/ K% {/ A' B1 ^4 I# h% Y) e! Y3 `' k
说是后掠翼的理论基础也不完整，三角翼同样用布斯曼的理论。实际上，布斯曼的理论只管机翼前缘，机翼后缘并无特殊要求。因此，战后初期，后掠翼首先登上舞台。
. G8 {$ f8 ~8 V  ^
. e; h8 C) c# `; w后掠翼好比把平直翼平转到后掠角度，机翼前后缘都后掠，尽管常见后掠翼的后缘角度比前缘后掠要小。后掠翼可以最大限度地利用平直翼的分析、设计和制造技术，在早期喷气战斗机的设计中大量采用。比如说，F-86“佩刀”式、米格-15/17/19等都使用后掠翼，今日高亚音速客机也基本上采用后掠翼，如C919、各种波音和空客。7 Z* ~; u4 i: E" P
5 \7 B" l/ u% k. z0 c
3 i. s) P  g" {, G
早期喷气战斗机大多采用后掠翼，如米格-15
* J8 t0 h" k: B/ _/ @% {6 U' C+ m* j! d0 Q1 Z& m
后掠翼的缺点是升力带来翼根扭转，很不利于受力设计，后掠角越大，翼根扭转的问题越大。
" _' W' t- f7 i/ V+ |( X- P5 G& _" y6 T" l$ y4 P
把后掠翼的后缘与机体之间的空隙填满，后缘拉到平直，就成为三角翼。三角翼的翼根很长，受力情况极大改善，翼内油箱的容积大。但传统平直翼的分析、设计和制造技术不能用了。7 q* R: P: l$ E$ L

2 |* r, S1 a1 F9 @  A - A% F6 n; h+ v5 j2 r! E& T
但三角翼逐渐成为超音速战斗机的主流，如幻影III
# \9 \6 [, L% t  }, @4 \' M; d# j- z2 Z; @. O
三角翼的翼面积比同等翼展的后掠翼大得多，但“含金量”不及后掠翼。翼面积越大，产生的升力越大，这是有利的。但三角翼产生升力的效率不如后掠翼。
' e7 Y0 F) Q. V, i: c9 R
% R$ }* H  _1 n8 `( O8 {- \* o气流的连续性是机翼产生升力的必要条件。也就是说，同一气流来流在前缘分成上下翼面气流后，要在后缘重新汇合。这样，上表面气流流经的路径较长，流速较高，压力较低；下表面气流正好相反；上下翼面的压力差就是升力。这要求上表面气流保持吸附，气流一旦分离，连续性假定就破坏了。下表面不是问题，压力较高本来就有利于保持吸附。
; \% x/ M" B) Q# y$ G
& v, V9 [( z) J! K' n太长的弦长容易导致上表面气流分离，尤其在迎角增加的情况下，不仅降低升力产生的效率，还可能带来额外的阻力。为了在大迎角下保持气流吸附，人们采用了很多办法，如边条、翼身融合体、前缘襟翼等。' A* E* e6 h; G- s* m( m

( |$ K( f- Q' c2 c$ a
5 f, E- `( c; j7 h- ~- P& S弦长增加容易在大迎角时发生上表面气流分离，导致升力损失和额外阻力
: I" c  T* F  N2 E
* ^/ J- c4 h% j& ~三角翼成为60年代以后战斗机设计的主流，尽管有“幻影III”那样的无谓三角翼、米格-21那样的有尾三角翼、F-16那样的截梢三角翼、萨博“龙”式那样的凹式双三角翼和印度“光辉”那样的凸式双三角翼、“协和”式客机那样的S前缘的大三角翼等多种形式。$ U% p# I3 y6 u( P1 f

3 [# u2 U8 d/ z' I. n+ a在隐身时代，战斗机依然需要超音速，但隐身也要求边缘对齐，尤其避免与前进方向成直角的线和面。三角翼的平直后缘在气动上无碍，但在入射雷达面前，与平直前缘也差不多了，像门板一样。
6 R4 J! b3 P4 u1 p- t
+ ~" \( a/ B$ ~" c5 Y% U菱形翼解决了后缘反射的问题，做到边缘对齐，但机翼内段弦长太长，气流容易发生分离。在同样翼展的情况下，翼面积不必要地大，机翼的结构重量和摩擦阻力增加，翼面积的“含金量”较低。YF-23是唯一已知采用菱形翼的战斗机。  \9 ~4 Z1 b2 y, ?1 l7 M

  R4 w: v! H+ u3 ?0 r: j # G" d( y4 N2 j2 c* e) z
在隐身时代，三角翼变身为菱形翼，如YF-23
& ?: f1 J1 X( h6 ?5 T; G! I% Q+ x- J+ V
人字翼实际上是菱形翼和后掠翼的结合。在菱形翼的基础上，缩小翼展，降低不必要的翼面积和翼根弦长，然后在外侧加一对大展弦比的后掠翼，在改善隐身的同时，提高机翼的升阻比，提高机翼气动效率。7 Q& X. g. ?0 u: \/ |+ R2 o, P

' ?% V! l3 G3 V2 [+ }- i$ t
  R' C" c. X7 h1 q4 k, J3 p将菱形翼与后掠翼相结合，就成为人字翼，如JSF竞标时的麦道方案
: |, z/ w- ?/ k; d" ]4 Q  B( Y0 ~# [: \6 u
由于结合和菱形翼和后掠翼，人字翼的设计很灵活。既可以小后掠大翼展，极大提高亚音速升阻比；也可以大后掠小翼展，最大限度地降低超音速阻力。还可以灵活调整“胳肢窝”点，在接近后掠翼和接近菱形翼之间灵活过渡，在巡航经济性和高机动性之间寻求最优。/ h' h* l$ Z& ]! \! I

$ F, |2 B, U6 u人字翼首先在JSF竞标中麦道方案得到使用，现在各种第六代战斗机设计中几乎成为标配，如英日意GCAS、德法NGF，无尾飞翼上也大量采用，如RQ-180、B-21。% i: S0 E! X7 G6 [7 `6 F
: A0 ^) p" n; v1 q5 l* p
3 T  ]. Y+ S+ z+ I! i2 X
0 b9 V5 U$ L- l! R

5 g4 }/ s% f" g% }0 s* i) q如今人字翼几乎是下一代战斗机的标配，如英日意的GCAS（上）和法德的NGF（下）
2 o" N& a/ U# p& y/ i
) Q4 i4 K; M$ d2 X0 b: v ) M) a$ y" K9 ?2 I% f: l
7 I% R6 \$ z( E/ M9 \8 s9 B$ V

3 r, K6 s  q1 G9 S* r+ ^无尾飞翼也采用人字翼，如B-21（上）、RQ-180（下）- e9 z' x; k% H! w
1 `8 {8 Q$ J' C9 ?+ S. x
人字翼用于无尾飞机是有意思的问题。大翼展有利于较高的升阻比和航程，大后掠有利于降低阻力和雷达反射特征，但这也容易使得升力中心靠后。升力中心不宜与重心相距太远，这就限制了人字翼无尾飞翼的后掠角和翼展。* b# ~  l: j7 |& ?

1 C* X9 Y2 f; E$ p) Z1 l9 l. f八字胡翼应运而生。八字胡翼的正式名称是曲折翼（cranked wing），可以看作人字翼的变异。内段可看作翼身融合体的延伸，前缘大后掠，后缘小前掠；外段为小后掠翼，具有很高的升阻比。
0 W3 k; X: i) C' a% l0 }+ ~; f* |; f& \  R2 v0 J0 g/ E
% |0 P; D# B) u
人字翼的一个变异是八字胡翼，如X-47B
1 v$ y! ~2 B) M$ z: j/ j9 q* [& S& H9 Q7 k
八字胡翼非常适合高升阻比的长航时飞机，X-47B就是典型应用。  H0 F" `. c5 {: M

" g4 A0 m2 f2 n" P4 z4 g人字翼及其变异是很值得重视的新型机翼。
, R  f: P5 y9 u5 V' f2 r  B. H. ^& a- T( p0 E8 d  i8 ^

1 i- \; K1 g+ ]$ F



欢迎光临 爱吱声 (http://aswetalk.net/bbs/) Powered by Discuz! X3.2