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。
3 S5 r# b  s/ Q+ K1 `- R
% j: H$ h/ J4 B6 D6 d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。
; p) r! A8 z9 m% Q9 d" _  m6 A% N0 A0 H. O: v& H
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。
! G" d: A) \# Y' w& e0 {( C- M8 h
/ v( o. ]+ Z/ i
# t' n3 n+ w- a3 f: k0 Q* o. X9 z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: A9 x. V' o9 |2 b

# H+ p& j! O" @! I, s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。* m8 N* X0 {2 z" C' |! {3 R

! T" C/ O: @3 Q) L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。0 d  c, f) x' S) A; }% @3 T8 S

. k; G0 R- ^) t; t  b" I5 O
$ r, h5 x0 L! _+ g早期喷气战斗机大多采用后掠翼，如米格-153 S8 T8 N, C( o' t5 Q9 V& V2 @% Q2 `- G

; ^3 n6 u5 M2 G1 ]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。: U) H5 c7 Z- h- m8 m; D

8 F) V8 ]6 x) z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。3 J5 ^# w! z1 D, I: J) }8 t; a( r
, h9 C- L' x. D
; e% p  t# [) e0 v2 Z! c
但三角翼逐渐成为超音速战斗机的主流，如幻影III1 p7 w8 F/ `, B/ b, {
5 O$ S5 U: C) n$ @
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。
+ `7 Y% {  E0 z1 X% ?* L5 w
8 P8 @! B( B0 t% P/ @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。
1 W& _  ^' b& N& s3 e. Y* m" b
  f) ?0 h) Y! p! ~/ w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。1 O: ]. N" a! E% [4 {) R6 E

# C6 }/ W" A8 W9 | $ ^$ v( O% E, S) p3 k
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
) g) ]' u8 r6 g1 |: Q9 N" }6 y' W7 X$ B1 \
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。
$ X& b' W+ E( ?& f7 \2 |* [1 o
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。9 q# A/ f4 u" O4 t: _
; p# \9 a5 ~1 A" j& [9 ?
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。+ |; u8 @" X1 W$ p; D% q
9 X, q, @: p- M% f+ R( w

- W, ^8 I0 j. a; M+ r1 I9 u在隐身时代，三角翼变身为菱形翼，如YF-23
/ K& }3 K% i! ?, U% u" l/ f  A& {" d9 t: X" N- {' a
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。+ o; [9 M& t* F; @* D

5 `0 z, n! D# r4 w! \6 N$ ? : S" ^; q+ b+ D9 r5 a8 W. g' n
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) C) u6 M5 H7 M) }$ P
, x  K! C$ E5 C
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- G* A8 o9 x# q; }% b7 G+ [1 L
/ l5 v$ K% O7 x
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。& a+ M2 F# R7 j. `! l$ |
1 L" m. P4 q2 p, @) c6 }; @

; F1 o0 d4 a4 U' }, M( C; S) I
( w  }# \& c1 ?" v( g
& |* ~: J1 ^( l5 n  P& R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）+ z# d4 M  C) ?# u3 y) ?/ b! r) G3 }# i* d
( _$ O2 T: V8 ]8 k" \3 Q+ I% d, M0 y
: p$ K/ l" n2 ?* v; H* o( O

  H/ g" C0 u. r" r6 ?* n" _ 5 E0 t( z0 b0 N" E3 Q& P
无尾飞翼也采用人字翼，如B-21（上）、RQ-180（下）
7 [$ a: s; B6 A4 u' h5 ^7 I; Z3 I% g- q% p  n
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。
  j* H" F4 R4 ~3 J1 Z  V/ h6 u( M' f; ?# L1 x  P* y  b  [$ k" o+ Z
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。' w+ U3 ]' R4 Z" G
4 ~, G, c2 P; J$ ]: k
' s3 @$ `! n5 g, J2 o! |1 b
人字翼的一个变异是八字胡翼，如X-47B
4 G) q! Y. o3 i6 y6 s3 q! H8 ~% r4 p9 L3 t% U( {7 p
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。
8 j  z! }, }8 Q1 _& @( o. B( H4 ~. E
人字翼及其变异是很值得重视的新型机翼。) C, U; ?5 L: }  U: _, o$ n
, v- J" B' M- B" N: s& I; b' o
1 h" ^+ Q: t# \$ V




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