爱吱声

标题: 征服阻力 [打印本页]
作者: 晨枫    时间: 2015-6-8 09:57
标题: 征服阻力
本帖最后由 晨枫 于 2015-6-7 22:25 编辑 * a$ G# n: _9 N
; T: p+ \: V0 s, P( Q6 c, i5 }

7 p$ V: z; F) y3 \9 m阻力是飞行的大敌，阻力的反面就是节油。对于斤斤计较的民航界来说，降低阻力就等于装进口袋的白花花的银两。对于空军来说，降低阻力则意味着更远的航程或者更大的载弹量，这是可能决定战斗命运的大事。航空科技的历史充满了征服阻力的努力，流线型概念就是从航空科技开始的。时至今日，绝大多数客机、运输机的基本外形大同小异，正是因为已经高度优化的结果，要进一步降低阻力，人们常常有潜力挖尽的感慨。但新技术正在涌现，可能改变飞机减阻。
1 A- i4 Q+ ?' K3 p" H8 O3 H( J; L: k# V+ u0 n! J$ M: \* x
传统客机、运输机采用圆筒形机体，截面如果不是纯圆形，也是近似圆形，或者大小两个圆形叠加起来的葫芦形（如波音747和空客A380），但平顺的圆桶在中段与机翼对接的部位，通常有显著的隆起。在波音707时代，这个隆起还不显著；现代客机如空客A350的这个隆起已经非常显眼了。从结构上来说，机体与机翼对接并不需要有如此之大的隆起，波音707时代的结构技术还不如现在，就没有这样显著的隆起。这是为了符合跨音速面积律而采用的。
! r6 V4 `; K" [' {, d- E, [! Y/ `
( U8 @7 j& v) ^
% d" N* F) z9 h6 f4 w) v4 T% d早期的波音707中机身相对平直，没有明显隆起
  C2 N: x. a; z8 @
2 s  m1 ?  J; `6 M# w
6 |$ r( h" }+ H2 D相比之下，现代的空客A350中机身有明显隆起，这是面积律的需要) _3 c2 E5 w/ R, E0 ^. Z
" R% }  i% h* K
飞机前飞时，对前方空气产生压缩，压力波向前方一层一层按音速传递，好比千层酥一样。速度越快，千层酥越紧密。亚音速飞行时，前方空气有序“闪开”。超音速飞行时，千层酥已经压实了，形成激波。这个空气受到强力压缩后形成的高密度层在理论上密度可以达到无穷大，好比虚拟的石墙一样。激波通常是锥形的，速度越快，锥形越尖锐；但速度正好在音速时，锥形就展开了，像平面墙一样。超音速飞行时，飞机像顶风打伞一样“顶着”激波锥飞行，速度越大，激波锥越尖锐，阻力反而越小。正好跨音速飞行时，激波还不成锥，只是与飞行方向垂直的虚拟“石墙”，阻力反而最大。这就是所谓的音障。民航客机在高亚音速巡航，但局部气流已经达到音速，正好是音障肆虐的速度段。6 P- l. ]) u' ?6 R; O9 V  X

, P. _, \6 u! Z# [3 J在50年代，人们发现了跨音速面积律，也就是说，为了是跨音速阻力最小化，飞行器的形状不是太要紧，要紧的是沿纵轴的横截面积要均匀变化。彻底的直筒子的横截面积是一致的，当然符合面积律。但加上机翼后，中机身短的横截面积就突然增大了，破坏了面积律。宽厚、较大后掠和较小展弦比的后掠机翼还容易做到面积律，但较小后掠、较高展弦比才能提高机翼升阻比，减阻节油，这就只有用中机身隆起来做到面积律了。
# b9 |* n& Q. R% i5 Z
* ^2 l0 i5 `2 h1 y' D6 {不过较小后掠对于高亚音速巡航不利。机翼通过翼型对机翼上表面气流加速，上下表面气流的速度差导致压力差，这样形成升力。机翼后掠可以降低与机翼前缘相垂直的法向气流速度分量，推迟达到音速和形成激波。但与同样翼展的平直翼相比，后掠翼的结构重量大，翼面积大，摩擦阻力也大，还有翼尖失速问题。常规翼型通过半水滴形的形状，形成上下表面的气流速度差。机翼上表面气流加速即使产生升力的源泉，也是气流提前达到音速导致激波阻力的祸首。答案是超临界翼。
( a5 P7 j7 J4 P- _% D$ b8 N: B
& e. q2 t6 x% m0 H- P& n0 ?" H! E' L8 }1 N
传统机翼（左）和超临界翼（右）
, E+ p6 a: `) U/ e2 ]# u  s. N* Y
7 v. }1 Z% j8 l( f2 o超临界翼的剖面有点像尾巴下垂的短尾蝌蚪，或者说像特别肥厚而且上下差不多对称的普通翼型，但后部下半挖掉一勺。上下几乎对称使得上表面气流加速减少，延迟激波的产生。但后部下半向上挖掉一勺才是超临界翼的奥妙所在。由于下表面的压力依然较高，下表面气流到达上凹后，沿蝌蚪尾巴下垂弧线向后下方“甩出”，与上表面同样向后下方导出的气流汇合在一起，形成下洗气流，产生升力。与常规翼型相比，超临界翼较少利用上下翼面的速度差产生升力，而是更主要地利用下洗气流产生升力。减少加速意味着可以用较小的后掠角。另外，更加圆钝的前缘有利于气流吸附到机翼表面，减少气流分离，推迟进入失速。动力飞行说到底就是用阻力换升力的过程，机翼是飞机上产生升力的最主要装置，高升阻比的机翼是节油的关键，因此超临界翼在现代客机和运输机上已经必不可少了。
, ^0 E; X% m0 Z! L. H8 c  C/ E; s# U( g( |  I

! M3 O, r! {! J1 I  @  p! ]' W, ^: e机翼下表面高压气流向上表面卷过去，形成翼尖涡流。图中中线象征虚拟的截面积为零的机身，这是为了简化气动分析
" v$ v! o* l& R$ {+ O; G3 d. f" n; k6 I

4 v; _. K: V  Q这是更加详尽的机翼压力封闭
0 k: \2 S( z8 h0 n5 J/ D) J4 s4 }/ ]: }! a; y1 ]% J

: X% M3 `8 ]1 d3 Q: `+ @3 T! J翼尖涡流拖带在翼尖之后，形成可观的阻力: n( G8 o/ Z$ |2 w( ~
/ U+ n' N3 A0 N& u

0 e+ I- Q, a) q, i* d: U2 c在起飞速度时，已经有显著的翼尖涡流
7 n7 K) W/ J% s, }5 `8 w2 L' V" Y& x
4 k) `# p. M/ }2 g8 s  j& F! d
气象条件合适的话，可以看到可观的翼尖涡流4 j" I/ Z2 l' F, o7 _/ P

8 ?9 [" A/ a0 i8 m) Y! G
1 z9 B4 Y+ Y4 ]1 M8 n2 T- Q+ H3 E翼尖小翼对降低翼尖涡流的作用) t) j2 B& `: l$ G) d

) y2 x' s2 V" r- ~5 J# ^  |+ P* x" s3 Q4 A0 {
翼尖小翼不可能消除翼尖涡流，只能降低涡流强度，其中小翼形状及与机翼的融合很有讲究，否则会引起额外的附加阻力
7 S, u4 Y& a6 F0 {0 u* F3 q
( K" Q1 h, y8 `6 p" N翼尖小翼可以减少翼尖涡流，是很流行的减阻技术。机翼的下表面压力高于上表面压力，这个压差产生升力，但这个压差也在翼尖造成横向的自下而上、自外而内的涡卷。翼尖涡卷带动空气，含有很大的能量。翼尖涡卷对于飞机的升力和推力没有作用，而这能量最终来自于推进的动力，所以形成阻力。翼尖小翼像垂直竖起的墙，减少涡卷的形成，达到减阻的目的。翼尖小翼的另一个解释是相当于扩展了有效翼展，更大的翼展意味着可以降低速度而达到同样的升力，达到减阻目的。用航空术语来说，就是通过更大的展弦比来提高升阻比，从而降低诱导阻力。6 F9 P) H, I) W$ O7 y+ S4 b

) ?8 Q# B7 F7 G早期的翼尖小翼就是翼尖上简单的垂直小翼，但翼尖小翼的额外重量要求对机翼作额外加强，小翼本身的重量也间接增加了阻力。更有甚者，垂直的小翼和水平的机翼的转角处容易形成不利气动干扰，处理不好会带来额外阻力。所以早期翼尖小翼的应用毁誉参半，尤其是很多在现有设计上“硬性嫁接”的翼尖小翼，时尚和美观因素多于气动上的益处。波音737NG上的翼尖小翼与机翼圆滑对接，减少了不利气动干扰的影响，同时略微外倾，更加有利于产生升力，号称在长途航线上可以降低油耗4%。由于翼尖涡卷具有很大的横向流动速度分量，小翼的纵向局部真实速度降低，容易进入失速，大大降低小翼的效果。空客A320“经典型”的翼尖小翼则同时向上和向下延展，进一步减少翼尖涡卷，降低翼尖小翼失速的影响。/ A3 g  a& }: R4 [, |
3 P1 S" L5 f+ Y- l" `0 E
! k+ @( P8 T/ w+ q
若干种不同的翼尖小翼，右为最新的“鲨翅”小翼& a' {5 j! [" U( `" h
  }% [" x4 `2 J% ?
0 X* r6 F9 J" o
A320采用这样的上下小翼/ X2 ^! [1 a0 @: N& U( L+ u
5 B7 `) B, I& s, M! W% {# d. D6 s
9 w2 ~) h$ X9 W% R0 M; ~% F. e
波音737NG的融合小翼
5 ~9 c/ g. O2 {/ s1 _- g; F
9 r& Q6 A! X7 e4 K# G6 l3 u- j# W0 F- E* }6 W+ L. @3 K
波音737MAX的双羽小翼
5 O3 j" M5 J( D* }0 C/ D
8 V$ G) \. ^. y' H5 d' Y+ v( J1 ^6 c# N: @4 K: ?
双弯刀小翼
% I5 l4 W6 D& O5 R" R( e& |0 f) S0 z/ {0 }
7 Z4 Q7 @, u+ s' m# _: B2 r
盒式或环形小翼6 X+ h( J4 O# E, [/ t# i

* [* d8 E# z6 b( |: n/ L8 V  K  e# @  w& d6 E3 z
S形小翼+ B" k' X" D7 @0 E

2 C. W$ p$ ?9 m( _2012年之后，空客在新的A320上推出“鲨鱼翅”小翼，外形与波音737NG的翼尖融合小翼惊人地相似，以至于引来专利侵权官司。空客版的“鲨鱼翅”号称可以比现有的翼尖小翼节油4% ，或者增加185公里航程，或者增加450公斤载重量。更重要的是，2010年后下线的A320的翼尖结构已经预留接头，只需要简单换装，就可以采用新的“鲨鱼翅”小翼。更早的A320要换装的话，需要一点结构改装，但也是可以换装的。与此同时，波音最新的773MAX推出“双羽”小翼，相当于把737NG的翼尖融合小翼增加了空客A320那样的下小翼。波音号称比翼尖融合小翼进一步节油1.6%。波音还推出“双弯刀”小翼，与“双羽”相似，但小翼前缘像土耳其弯刀一样是弧线的，进一步降低阻力。波音号称“双弯刀”小翼比翼尖融合小翼进一步降低油耗2%。' ]! B+ ^9 |; F8 y/ f
; z9 _9 s! r# a7 ^
更进一步的是盒式小翼，这相当于把传统的单片式小翼用一个矩形“隧道”来代替，上下的水平翼面相当于双翼，成为额外的机翼翼面，产生升力。左右的垂直翼面中，内侧的垂直部分相当于大型翼刀，阻止因为机翼后掠而导致的上表面气流横向流动，降低升力损失；外侧的垂直部分相当于传统翼尖小翼，阻止翼尖气流涡卷。盒式小翼虽然结构部件更多，但顶端的“横梁”对结构起到加强作用，降低了传统翼尖小翼的结构加强要求，实际上减轻了结构重量。与盒式小翼相似的是环形小翼，这事实上不是完全的环形，更像融合小翼在翼尖继续向内侧圆滑弯曲，并继续延续向下，直至与机翼结合。与盒式小翼相比，环形小翼在受力和降低不利气动干扰方面更加有利。7 {1 h( @8 A% ^$ U2 `$ M! E' I

$ k: h" @2 D" z8 v; Y+ D' x* x比较折中的是S形翼尖小翼，从正面看，好像一个向外弯曲的钩子。翼尖小翼减少翼尖涡卷的绕流，但翼尖小翼本身在自己的翼尖也有涡卷绕流，自外而内，自上而下。这也形成阻力，尽管强度已经比原来的机翼翼尖阻力降低很多。在小翼翼尖再增加向外的“小小翼”，可以降低这个阻力。从外形上看，这就像斜躺着的S。这也可以看成环形小翼的内侧一半。与盒式或者环形小翼相比，S形小翼比较简单，但结构和受力设计依然比“双羽”或者“双弯刀”设计复杂。
/ w/ X, m$ Q: k1 `5 d
0 [1 a1 D/ d6 ?- N& V' [/ c不过翼尖小翼在靠近翼尖的部位产生额外升力，这对减阻增升有好处，但翼根的弯折扭矩增大，需要额外加强，导致重量增加，部分抵消了减阻增升的好处。为了降低额外增加的弯折扭矩，另一种思路是在把翼尖小翼反一个方向，向下而不是向上，但在向下延伸的同时，向内稍稍弯曲。这样一方面阻止机翼下表面的横向气流越过翼尖继续横向流动，产生翼尖涡卷，又使得横向气流的冲刷产生一定的向下的负升力，抵消部分靠近翼尖的额外升力，降低翼根的弯折扭矩，降低结构加强要求。这样降低了小翼增升的作用，但减阻作用依然保留。( s+ C" A! f. F  B' M
' ^9 R! E2 G0 P
但翼尖小翼只是传统的筒-翼布局飞机减租的一部分。美国空军研究所正在研究一系列新颖的技术，尤其是可以直接应用于机体或者机翼表面的新技术，其中有些可以用于现有飞机的改装。
' W! ^1 N- s* m1 H0 U! `3 j; A2 c- ]+ h( @! Z' G/ Z
' F/ _! t  X  I, M" B" x/ }* {
层流（左）阻力较小，湍流（右）阻力较大
% j5 P3 z; W$ x4 z! j8 H' {0 l" q' u# F1 k

& x0 |  p$ g. ^$ i( O& K/ K30年代曾流行过波纹板制作的机身，那时是为了在降低重量的同时增加机体刚性，但顺着气流方向的波纹结构有利于理顺机体表面气流，促进层流，降低阻力6 B2 n6 L, C8 T; m) w

- w5 X( @8 _( L/ ^机体表面的摩擦阻力是飞行阻力的一大来源，保持层流、降低湍流有利于降低摩擦阻力。空气是有粘性的，粘性流体的流动分层流状态和湍流状态。在层流状态下，流动分层有序，没有漩涡或者回流；在湍流状态下，就存在漩涡、回流、乱流现象。可以想象，漩涡、回流中的反向流动必然增加阻力，所以减少湍流可以降低阻力。如果把平整的机体表面沿前进方向做成波纹状的纹理，就好像30年代老式客机一样，可以理顺机体表面的气流，促进层流。空客在1989年用一架A320做过试验，在70%的机体表面贴敷波纹塑料薄膜，纹路沿纵向展开，取得差不多2%的减阻效果。但塑料薄膜的耐久性不好，破损、剥落反而造成更大的表面不平整，引起湍流阻力。日常维护也不容易，要把波纹的纹理理顺、对齐很不容易，但不理顺、对齐则反而适得其反。这个方法没有推广。但现在有一种新方法，在机体喷漆的时候，直接形成波纹纹理，耐久性大大提高，使这个方法具有实用潜力。
3 a; {" y! P# r9 a; W2 s' F' Y6 G3 Q, D" v, O! a6 b
另一个方法是可控蒙皮。原则上说，蒙皮形状应该圆整平顺，但蒙皮外面的空气流场很复杂，不仅受到机体形状的影响，还受到飞行姿态和速度、高度等因素的影响。主动改变蒙皮的凸起和凹陷可以控制局部边界层（也称附面层）的厚度和形状，理顺接近机体表面的气流，延迟湍流的产生。采用柔性蒙皮和液压作动是传统的实现方法，但另一个更加新异的方法是采用记忆合金。记忆合金会可以根据特定外部条件而变形，比如说，温度升高时，自动延展；温度下降时，自动收缩。采用记忆合金之后，不仅可控蒙皮的作动机构极大地简化、减轻重量，而且可以用于更大幅度的涡流发生器、扰流片等装置。比如说，起飞着陆时速度较低，需要较大的尾翼面积才能提供足够的控制力矩；但高速巡航时，很大的尾翼就成为阻力的来源。放宽静稳定性是一个过大尾翼面积的解决途径，可控涡流则是另一个途径，比如F-18的边条就在大迎角时产生强烈涡流，扫过外倾的双垂尾时，增加垂尾的气动功效，加强大迎角飞行的飞控能力。问题是，边条或者其他形式的涡流发生装置在正常巡航时生额外阻力。采用记忆合金制造边条的话，就有可能按巡航要求设计较小的垂尾，在温度较高的低空低速和起飞着陆条件下自动“长”出来边条，补偿尾翼的气动功效；在寒冷的高空巡航时，自动缩回去，减少阻力。另外，记忆合金也能按照压力变化自动变形。这样的话，在蒙皮上气动压力降低、局部气流分离在即的时候，自动鼓起来，推迟湍流的产生，这是记忆合金的另一种应用。. }/ T( y1 x. |* }; j
) ]' ^2 ^; G; L/ i( x6 R6 O
巧妙利用材料或者涂层的化学性质也可以改表局部气流。比如说，空气中是含有水分的。亲水性表面可以有意识地把气流“拉近”，疏水性表面可以有意识地把气流“推远”。有意识地利用这种改变局部气流走向的能力，可以补偿因为结构或者其他考虑而不得已而为之的不利局部形状造成的气流畸变和阻力。
# p! G5 a: S) ?9 N4 z( [
" r0 i" u$ G4 H& A9 _5 m; Y空气中的压力波以音速传递。所以在亚音速飞行时，前方气流分层有序地向两侧“让开”；但在超音速飞行时，飞行速度超过空气中的压力波传递速度，前方空气不仅不会让开，而且会挤压在一起，形成像石墙一样致密的激波。超音速飞机好像顶着一把无形的激波伞在空气中前行，阻力可想而知。速度越高，激波锥越尖锐，所以飞机速度跨过音障之后，激波阻力反而随速度下降。问题是高亚音速飞机在整体上飞行速度低于音速，但局部气流速度是超过音速的，尤其在机翼前缘和机头锥等前缘部位。这种低超音速的激波阻力最大，所以是高超音速为巡航速度的民航客机和军用运输机的大敌。  M+ Z; j  L# s+ p- ~

& n5 B& R7 b" M* d1 y7 r好在音速不是固定的，而是随空气温度升高而升高的。如果局部加热空气，使得局部音速提高到气流速度以上，在理论上可以消除这样的局部激波阻力，至少可以改变激波形成的位置和强度，达到降低激波阻力。加热蒙皮不是好办法，炽热的蒙皮不仅造成结构问题，还受限于空气的导热能力，难以实质性地加热前方空气，而好不容易加热的空气早就由于气流流动而跑到并不需要加热的机翼后方去了。必须采用等离子加热。轻型等离子加热装置可以安装在容易产生跨音速激波的部位，可以根据飞行条件的变化迅速加热。洛克希德的研究表明，每一个等离子加热装置只需要几千瓦的功率，对整个机翼前缘进行等离子加热处理的话，升阻比可以提高0.5-1%。在C-5“银河”这样的巨型运输机机翼前缘加装一排等离子加热装置的话，重量代价为310磅（约140公斤），消耗200千瓦的直流电力，改装耗资25500美元。如果对整个C-5机队改装的话，在30年里，可望节约1000万加仑（约3795万升）然后，价值约5.4亿美元。# L2 ]  g& K9 `8 e

% a6 F3 G6 x3 j: X
1 z# r/ A% I, Q3 ^5 p
作者: 农民家的狗    时间: 2015-6-8 10:03
科技的力量真伟大，科技的小白木看懂，太长太复杂了
作者: 看客    时间: 2015-6-8 11:11
三十年才省5亿4，这饼画的...
作者: leekai    时间: 2015-6-8 11:38
如果有配图就更好了
作者: njyd    时间: 2015-6-8 21:17
本帖最后由 njyd 于 2015-6-8 21:36 编辑
% S! I9 E0 H/ g9 R5 U4 A& d7 O6 @- Z) x: a. Z! t' z
. A" V% c: }' y2 L9 M
　　晨大看看运五B的翼端小翼，这才是真正的仿生，就象一些鹰翼端的羽毛：
" C/ W9 |2 f$ l, \: a
2 A0 ^. n% I* b& w6 e* W/ n" m" v; p
! F8 z9 P( w0 E, Q; T
7 n+ R5 Z, F% u2 Q- t印象中以前看过一张运五照片，加的小翼比这还多，就象一些楼房下水管上加的防爬铁剌一样。今天搜不到，也许是三个以上效果增加不明显？
; l. h% e. S( S: B- A% Y- c6 X; S& ]: k& N( c2 o4 D; K
美国的A10翼端也有个很小的小翼，据说能增加百分之三的航程，看来跟客机加那么大个小翼效果差不多，是速度不同的原因？
& L5 D6 w1 Z+ [$ Y$ Z: L6 F9 U6 C  N% z: J" A8 A) _/ w
3 P& z6 d, y" z: C4 }( \" [
　　以前我有过一个设想，J8这种三角翼低速效果不是不好？改成象F14那样可变后掠角机翼付出代价又太大。设想把三角翼外侧二分之一到三分之一改成可动的，转轴在紧靠前缘处，低速时往外往前转出，既增加机翼面积又使三角翼变成了双三角翼，至少等于加了个翼端小翼。可动部分小增重也就小。! ?2 m( C. f) Z! [  B  T( W
' e' _) y/ q$ i+ r; w; z
　　你说客机机身与机翼联接处的隆起是为减小截面积，我怎么怎么看都是增大了截面积？你看现代战斗机机身这个部位都是缩小的。
作者: 晨枫    时间: 2015-6-8 21:25
njyd 发表于 2015-6-8 07:17* T* a' ^4 `5 H
　　晨大看看运五B的翼端小翼，这才是真正的仿生，就象一些鹰翼端的羽毛。
6 P3 v) }$ a7 q/ L7 R1 u9 N7 l+ s: b. ]7 }
　　你说客机机身与机翼联接处 ...

4 R8 L1 t" c' m0 |9 v运5这是后来加的吧？好玩。
; T* p- U+ L$ s- |7 \: Q$ Z- n% Z  K$ ^
中机身隆起是增加面积、平滑截面积过渡、降低阻力。战斗机收腰是同一个用意，但现在也很少用收腰的办法了。关键是截面积平滑过渡。尽量相等是平滑过渡，其实要求是保持二阶导数尽量不变，所以是可以隆起的。
作者: njyd    时间: 2015-6-8 21:48
本帖最后由 njyd 于 2015-6-8 21:50 编辑
0 W& t- @/ S3 [5 `
晨枫 发表于 2015-6-8 21:25
' O; e% n5 P2 F+ w3 K; v7 W( e5 g" f运5这是后来加的吧？好玩。& _6 a9 d1 A# c) R7 R3 ]- v: ]/ V6 s2 D
/ W/ |* Y4 u3 T9 n/ [' m
中机身隆起是增加面积、平滑截面积过渡、降低阻力。战斗机收腰是同一个用意 ...
! g% j3 y3 w9 k  d
# D4 g9 L) U- [( j# m  D% Z1 z
我又加了点内容。8 k# L- t! H6 R- L
我看客机的这个向下隆起主要目的还是为中间翼梁少占机身内体积，就象C17和C5都没有向上隆起，比C17小一些的运输机都有,毕竟对亚音速飞机面积率不那么重要。
作者: 晨枫    时间: 2015-6-8 21:53
njyd 发表于 2015-6-8 07:172 h5 O5 w/ f/ J0 I! S7 d& h
　　晨大看看运五B的翼端小翼，这才是真正的仿生，就象一些鹰翼端的羽毛：

' N+ e! K0 x0 ~8 E2 N% B$ v( i
9 z& b" n, A( b) T$ }* }你的“半变后掠翼”就是苏-17的基本思路/ o) M$ F- n- _
/ o+ N6 x) F1 m! J% o+ x1 J
' P: l8 d9 z7 x6 L
与苏-24比较比较
作者: 晨枫    时间: 2015-6-8 21:55
njyd 发表于 2015-6-8 07:48
, ?! R& G* F. A" q1 D. m我又加了点内容。
) G# |! G7 [! H8 x我看客机的这个向下隆起主要目的还是为中间翼梁少占机身内体积，就象C17和C5都没有向上 ...
8 R1 j  Q# O) |8 a, w- |  \
: n1 U' f6 f* U
& J. B' K  l/ d3 W) I* J+ L& O2 {
C-5、C-17不需要额外隆起，起落架舱已经鼓起够大了。面积律只要求截面积大小，对截面形状没有要求
作者: xlan1976    时间: 2015-6-9 22:58
大概看了一下，晨大作为一个业余爱好者，想的已经相当深了，能写成这样非常厉害。
+ L4 l/ s( M; t9 B' ~9 G要对跨音速面积律作下说明，跨音速面积律是指航空器的当量旋成体越接近纺锤体，其所产生的波阻越小。当航空器接近或达到音速时，由于流体的压缩性影响变得显著，产生激波，波阻就是由激波产生的阻力，准确地说，波阻是由于激波和膨胀波交替出现而产生的阻力，这里就不展开细说了。所谓当量旋成体，是指将航空器沿轴线各处的截面转变为面积相同的圆后形成的三维形状。3 i& w1 p% w5 I5 d- N+ E
因此，晨大说为了减小波阻，要使飞机沿机身轴线上的截面积均匀变化，这点是没错的。通常飞机的机身本体截面积基本是均匀变化的，并呈纺锤体形，但在机翼与机身连接的地方，由于机翼的截面积影响，整个飞机的截面积会有一个突然的增加，因此为符合面积律的要求，超音速飞机在机翼处的机身截面会收窄，形成所谓收腰的效果。
; e6 Q! f1 s9 B# C' w, I但是，客机的翼身融合段外形做成隆起的形状，可跟跨音速面积律没什么关系。
7 t. k' U, H8 V/ S9 w; v首先，今日的高亚音速飞机在设计上就会尽量避免出现局部激波。理论上，激波只有在达到或超过音速才会出现，但如果设计不当，高亚音速飞机会在飞机外表局部相对气流出现超音速的情况，从而产生局部激波。但这在今日的高亚音速客机上已经基本上避免了，既然不会产生激波，也就不会有波阻，因此现在的高亚音速客机的设计上基本不考虑波阻的影响，自然也就不会考虑面积律的影响。另一方面，翼身段做成隆起的形状明显是与面积律的要求背道而驰的，因为它不可能像常用的“收腰”设计那样，平滑由于机翼的影响导致的机翼处飞机截面积突然增大的情况。3 H  L- z+ v6 h( F, `$ ?" w
实际上，翼身段的外形设计主要还是结构设计的需要，因为机翼承受的载荷，包括气动力载荷，发动机的推力载荷都要通过机翼传递到机身上，才能形成完整的传力路线，由于机翼与机身结合的部分要承受全部的机翼载荷，所以这一部分需要特别的加强，这部分结构的尺寸和重量都要超过机身的其它部分，所以外形上看得翼身段的隆起是对这一部分结构外形气动修形的结果。
1 @$ M  u9 O0 J5 c2 d, G那么为什么707的翼身段隆起就不明显，而350那个比较呢？其实这就是不同的设计思路而已，这里的TOPGUN兄以前有个帖子讨论运20、C5、C17和A400上单翼的翼身段设计的异同，那里面TOPGUN做了详细的解释，大家可以找出来看看。707和C5的翼身段其实只是做成了贯穿整个机身，因此隆起看不出来而已，707的翼身段超出机翼翼根连接的部分自然形成了货舱，而C5的则形成了可以装载乘员的二层空间。从气动外形上讲，这种做法比鼓出一团的翼身段阻力要小，但从整体结构重量来说，这两种做法难说那种更好。重力也是阻力的一部分，而且是非常重要的一部分，从后来767、777的做法看，波音也不认为707那种做法的整体效果有多大优越性。不过C17的翼身段与其它飞机有本质不同，非常紧凑小巧，几乎与其它机身结构融为一体，能做到这一点还是非常了不起的，美帝在结构设计方面的功力非常厉害。
作者: xlan1976    时间: 2015-6-9 23:25
njyd 发表于 2015-6-8 21:170 _; f/ G  u3 p. m( J0 u2 k
　　晨大看看运五B的翼端小翼，这才是真正的仿生，就象一些鹰翼端的羽毛：
# }  W) ]8 ^! h( ?0 n+ u
运五B翼尖的小翼确实挺有意思,百度上管这叫“多片开裂式帆片“，我觉得应该是起到一定的整流作用，不过对于采用大展弦比平直翼的飞机来说，诱导阻力的影响没有后掠翼的飞机那么大。A10也是如此，所以不需要象客机那么大个的小翼。4 ~9 j/ [7 C8 ^' n1 u" O' V
您说得那个三角翼的改进设想没看太明白，能画个图吗？还是跟晨大说得苏17差不多？
作者: 马鹿    时间: 2015-6-10 01:07
我以为是谈股市的阻力
作者: 晨枫    时间: 2015-6-10 02:10
xlan1976 发表于 2015-6-9 08:58
. ~% s4 v5 l8 R+ a8 w) H大概看了一下，晨大作为一个业余爱好者，想的已经相当深了，能写成这样非常厉害。
% X6 n3 q) @0 b, n( }! m要对跨音速面积律作下说 ...

& S  e* l4 `) I8 X3 A/ g3 h不能同意。高亚音速飞机在整体上速度低于音速，但在很多局部都有速度超过音速的问题，否则就没有超临界翼的问题了。机头是另一个局部音速问题高发区域，波音747机头的“二楼”也有局部面积律修形的因素。还有就是发动机吊舱支架（pylon）。翼-身对接不需要那么大的隆起。战斗机采用蜂腰恰好说明这个问题，相对于起飞重量和过载来说，战斗机机翼的翼根bending moment比客机要高。
作者: 鳕鱼邪恶    时间: 2015-6-10 03:02
翼尖吹气。。。对涡流啥影响？
作者: xlan1976    时间: 2015-6-10 03:04
本帖最后由 xlan1976 于 2015-6-10 03:07 编辑
/ j3 G/ Y: y+ e' G( S: u) p5 m* I+ Y
晨枫 发表于 2015-6-10 02:103 W5 V5 p0 u4 Q1 E
不能同意。高亚音速飞机在整体上速度低于音速，但在很多局部都有速度超过音速的问题，否则就没有超临界翼 ...

1 ?( O) V2 l% H& e/ S- d  b
* J( P( A0 Z* W4 E1 ]% u5 Q+ Y- R这不是同不同意的问题，事实本身就是如此啊。而且翼身段的隆起本身就是违反面积律的呀，怎么可能是考虑面积律才这样做呢。2 R) u* c4 \9 I  q
对于高亚音速飞机来说，如何消除局部激波是气动设计的一个重要方面，基本上在其允许的飞行包线内，局部激波即便有，其影响也是很小的。超临界翼型的目的就是为了提高临界马赫数，从而可以在较高的飞行速度下避免出现局部激波或是使局部激波的影响减小，而面积律只有在波阻成为主要阻力因素时才会成为一个主要考虑因素。
- x9 Z6 ~2 P8 t+ S; y另外，现代高音速客机发动机是吊在机翼下的，因此机翼不仅要承受气动载荷，还要承受发动机的推力载荷，这部分对翼根产生的弯矩是相当大的，而战斗机通常不会采用这种布局，因此相对来说，也是客机翼根承受的弯矩更大。而且现代战斗机普遍翼根弦长比较长，翼根厚度大，这对于传力也是有好处的，所以不需要象客机那样强翼身结构很正常。# Z7 E1 O3 O9 U( T! E
另外，客机或运输机轮舱向外隆起主要是为了尽量增大两侧主起落架的间距，改善起飞着陆的滑跑性能。
作者: 晨枫    时间: 2015-6-10 07:38
xlan1976 发表于 2015-6-9 13:04  O7 ~0 H- d3 E" e+ v
这不是同不同意的问题，事实本身就是如此啊。而且翼身段的隆起本身就是违反面积律的呀，怎么可能是考虑面 ...

. q' R! }) N* V7 z! X% c原来是结构强度和起落架的需要。看来波音在结构和材料上越来越无能了，和70年前的波音707相比，现在的波音787翼根鼓包反而更大了。
# A; g) i* x6 Y1 i7 ]1 ~8 O$ F; d9 z) g  \8 e
' G. Z. ^# V( U# m. o3 n9 b
波音7073 r# q3 w& x2 n" }

) @& [# g( I$ V( y9 r' d0 l+ C% }! N0 s5 \) h0 S$ Q$ W- S6 N3 S
波音787- u) O. q, `& }, J1 G  p

2 O& g! B& ~& g. Y
6 l  J4 x: U9 z2 T, j4 ~4 L再来一张A350（上）和波音787（下）的比较
作者: xlan1976    时间: 2015-6-10 15:13
晨枫 发表于 2015-6-10 07:38  W- j; M6 C5 ]. Q" E7 p
原来是结构强度和起落架的需要。看来波音在结构和材料上越来越无能了，和70年前的波音707相比，现在的波 ...

/ ^) X. v' [% b! P$ {' T也不能这么说，因为787采用的是全复合材料机身，在材料性能特点上和结构计算上与线弹性体的金属结构有着根本不同。波音能在复合材料结构上做到这个程度已经非常了不起了，我觉得空客和其它飞机制造商与其相比还是有差距。350虽然也是复合材料蒙皮，但长绗还是金属材料的，不如787先进。, W# r; l: W, f
另外就是707那个虽然外观看起来跟C17差不多，但实际上是有区别的，跟C5类似，后面的737也采用了类似的方式，从整体效果上讲，也难说比局部鼓包的做法就有多少优越性。
作者: ekid    时间: 2015-6-10 15:52
xlan1976 发表于 2015-6-9 22:58
! H: v9 r; x7 T' l大概看了一下，晨大作为一个业余爱好者，想的已经相当深了，能写成这样非常厉害。  h; ]8 Z5 I8 v8 A+ d2 F
要对跨音速面积律作下说 ...

1 g9 ]" P- }. J+ v1 H2 D航空空气动力学！
作者: 晨枫    时间: 2015-6-10 21:29
xlan1976 发表于 2015-6-10 01:13+ p) R$ p6 ?8 o! F& z. @1 ~0 r! Y
也不能这么说，因为787采用的是全复合材料机身，在材料性能特点上和结构计算上与线弹性体的金属结构有着 ...
$ ]+ O$ R8 F( Z/ Y( e
707、727、737在本质上是同一时代的同一设计，按照四发远程、三发中程、双发短程设计的，机身截面都是一样的。在这三个之间比较没有意义，本来就应该是一样的。如果复材不好比的话，那就拿777或者767吧。+ `6 e5 S- j1 T/ l9 A; i7 ^  c
$ z4 S" N8 P4 i
8 {0 ?8 o! L3 q' b8 g' b
这是767，已经更大一点了
作者: njyd    时间: 2015-6-10 21:57
本帖最后由 njyd 于 2015-6-10 22:14 编辑
, W9 t2 j# q" D0 n, P1 v
xlan1976 发表于 2015-6-9 23:258 C& d6 a# p5 U* v2 S
运五B翼尖的小翼确实挺有意思,百度上管这叫“多片开裂式帆片“，我觉得应该是起到一定的整流作用，不过对 ...
2 C* ^5 a! o6 o  V/ l

! `) u9 Y; z. l  Y- q  t& d
- \- I6 F# q$ o6 {! ^4 j基本就这个样子吧。. `0 Q3 L6 Z, J0 G

' J  s8 I* e$ W
+ N% W* l( o- e- X7 w& w6 E6 |加点说明：
, Y- F- b, h8 O1 K外翼段伸展后，就成了双三角翼。2 D7 w# H4 I# g! t' y) A7 f3 s% k: E
外翼段接近近缘处加导轨（在内翼段内），这个导轨与转轴共同承力，两个承力点相距较远受力条件好，总重量应该能比单转轴承力轻。
作者: xlan1976    时间: 2015-6-14 07:49
njyd 发表于 2015-6-10 21:57* C& N' o4 @2 J' \7 z; P8 g5 \
基本就这个样子吧。

/ K* q9 o! d6 h9 O从您画的图看，如果只是这种程度的外形变化，那么所带来的性能变化就比较有限，不如直接做成双三角翼的形式。这样改装，由于增加的作动装置距离翼根较远，会产生较大的弯矩，尽管需要作动的部件质量小，但总体上讲，结构增强所需增加的质量并不能比变后掠翼那样作动部分在翼根处的少多少，再加上其所带来得性能改善有限，综合来看，这样的做法并不一定太划算。当然，这只是粗略的定性分析，要确定某种形式所带来的增益是否超过其所带来的不利影响，需要定量计算和实验作为依据。
) S1 f3 B. S" L3 B$ m总体上说，变后掠翼这种形式在当时的技术条件下，有一定的价值，但随着人们对空气动力学研究的深入，新设计的各种固定翼面布局形式可以达到同样的气动性能效果同时具有更轻的结构质量。这也是目前发展的趋势，毕竟机械作动系统增加的质量太多了。- f+ w: ?0 |9 N+ l/ q  ?
另一方面，一般采用三角翼布局的飞机本身就是主要为超音速性能设计的，超音速时波阻是最主要的水平方向阻力因素，其它阻力形式包括诱导阻力不是主要考虑因素。对于这类飞机，低速性能基本只要过得去就可以了。
作者: leekai    时间: 2015-7-1 23:09
@晨枫 是否侵您权，今天发现的- A6 D" V8 j! U8 k' U
http://zhidao.baidu.com/daily/view?id=47374 U9 p7 V) ]+ t! [- e+ `& G/ r
飞机上的翼尖小翼有什么用？
2 W4 V$ p. [3 A0 T7 l4 O寒木钓萌 科普作家 | 2015年07月01日' L' ?5 w  C* r
作者: xlan1976    时间: 2015-7-2 00:15
leekai 发表于 2015-7-1 23:091 T* _) u% R/ o1 H1 R1 j1 o2 u) ?
@晨枫 是否侵您权，今天发现的
+ U4 A' y. D, u) r! qhttp://zhidao.baidu.com/daily/view?id=4737  g$ A+ Z1 H- r" O
飞机上的翼尖小翼有什么用？
5 L6 N/ m- l6 P: s* T
看内容，我觉得他讲得跟晨大完全不同啊，而且我认为他讲的不错。
作者: 晨枫    时间: 2015-7-2 21:49
leekai 发表于 2015-7-1 09:09
* e# Q( }% G$ w- t/ B@晨枫 是否侵您权，今天发现的
2 r2 ^( h1 A; ]( N) \, ahttp://zhidao.baidu.com/daily/view?id=4737  D; _  ]( N% u, d/ u
飞机上的翼尖小翼有什么用？
" \; S6 @3 S7 L4 h" b% K
不是，这是人家自己的东西。
作者: 橘子和枪    时间: 2015-7-7 09:35
本帖最后由 橘子和枪 于 2015-7-7 09:39 编辑
) A2 @, I, q6 K& @
xlan1976 发表于 2015-6-14 07:492 Y: ?! l/ t" `9 s9 m
从您画的图看，如果只是这种程度的外形变化，那么所带来的性能变化就比较有限，不如直接做成双三角翼的形 ...
& u  N# B9 ?/ i
2 w7 E7 I2 b" E" x, {
@njyd 如果换一个角度想，把这个设想改成“主动式翼尖装置”，或者叫“自适应翼梢小翼”也许不错。, _' \  X  |, |$ H- }; @

8 s' R6 `0 L( ^) N3 f0 G: I目前各种翼尖装置变得越来越复杂，尺寸和重量也水涨船高，但是一般都是固定的，难以适应不同的飞行情况的需求。“因此本发明提出了一种主动式翼尖装置以适应不同飞行情况的需求。”2 ?$ m: F  D9 g: S
: l" {0 F7 W' x* `0 r7 R
这有点类似于猎兔狗（也许应该叫鹞式, but I prefer it my way.）的“转场翼尖”，只不过猎兔狗是在地面换的，而这个是在天上调整的。效益呢，据说应该猎兔狗的“转场翼尖”能增加5%的航程，应该不差的。5 R4 L0 i" A# }4 f3 E
4 o2 q4 b+ \( t- s, k
执行机构采用液压的根据 @xlan1976  的说法也许代价太大，因此也许可以考虑采用电动，或者 @晨枫 提出的记忆合金，因此可实现性应该没有问题。$ t: A4 W& W& c9 D/ y, ?- k
6 `* N8 L& F3 J$ T8 m2 O* ~
总之有没有人用不管，至少申请几个专利是没问题的。5 Z* |, d0 d! n- Y* D# \- p
按照不同动作方向和执行机构形式等进行排列组合，也许还能申请十几个专利。@xlan1976



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