讲讲空气动力学:前掠翼飞机有啥优势为什么我们不搞? 来源:常见问题    发布时间:2023-11-19 03:40:56   阅读:1

  很多人一提到前掠翼飞机,就会到X-29和Su-47这两款战斗机的型号,但很遗憾的是,目前并没有前掠翼喷气式战斗机服役记录。反而倒是各种科幻片中会出现大量的前掠翼战机。

  这里得DISS一下电影中的科幻设计了,电影中的科幻设计往往有三个要素,但这三个要素和真实的军事技术都没什么关系,它们是:

  而使用前掠翼的设置,就让战斗机看起来和普通战斗机不同,就符合了第一点要求,也就是让飞机看起来更酷。

  当空气流过机翼的时候,机翼由于形状的问题造成机翼上部分的空气被加速,按照伯努利定理当气流的速度增加压强就会减小,因此机翼下部分空气的压强就会大于机翼上部分空气的压强,由于存在压强差,因此机翼获得了向上的升力。

  我们如果仔仔细细地观察在机翼上缘流过的气流你会发现气流由两个部分所组成。一部分十分平顺的被加速流过机翼,还有一部分是在空气被加速后气流产生扰动不规则运动,这种气流叫做分离气流,产生的升力是不能被有效利用的。

  同时我们还会发现随着机翼的角度变化(攻角)分离气流在机翼上缘所占的比例慢慢的变大,当分离气流达到一个临界点的时候,机翼就失去了产生升力的作用。

  这件事在空气动力学中就叫做失速(Stall)。Stall这个词本身的意思是路边摊的小亭子。

  看到Stall的实物,和stalling的汽车,大多数人应该懂得都懂了吧。后来Stall的延伸含义就成了“某某部件不能按照预期完成工作”。在航空术语中Wing Stall就表示飞机机翼失去了升力。在汉语翻译的时候就叫做“失速”。其实失速和飞机的飞行速度(无论是垂直还是水平)没多大关联性。

  不过,这样的一个东西是一个科普级别的概念,原因主要在于大家看到的是一个机翼的截面。当气流在机翼上流动的时候不仅仅会沿着垂直于机翼的路线流动,还会被机翼前缘的角度带动沿着机翼的展向流动。这就导致了真实飞机机翼的空气气流流动要远比咱们前面说的复杂。

  这种展向气流就造成了覆面层移动的问题最后导致了“翼尖失速”,造成了机翼尖端的升力系数降低。简单形象的说就是本来吧,设计师设计了300平米的机翼产生升力,但是尖端部分的70平米机翼出工不出力,仅仅提供了理论上20平米的机翼所产生的升力。这就导致飞机其实就是背着50平米机翼的死重在飞。而且,当飞机攻角度变大的时候,本身所产生的失速问题也就更加加剧了机翼“出工不出力”的坏风气,以至于飞机难以获得足够的升力保持水平飞行。

  为了防止机尖失速的问题加剧,很多飞机在设计的时候在飞机机翼上添加阻挡物,降低翼尖失速的问题。

  还有就是在机翼上简单粗暴的加装上翼刀(Wing fence)物理性的约束负面层移动。

  进而大幅度降“低翼尖失速”所带来的危害。其实明眼人都看得出,这一些方法都是一个“挡字诀”,阻挡覆面气流向翼尖流动。

  这时候,逆向思维就来了,挡住气流的流动,有什么翼尖小翼、翼刀能比飞机本身的机身更大更有效的阻挡气流呢?让机翼上的覆面气流反着流动不就可以了吗?改变覆面气流的流动方向,其实不就是改变展向气流的流动方向吗,将机翼由“后掠翼”改变成“前掠翼”就可以完美的解决这个问题。

  于是就有了前掠翼飞机的设计。最早实用化的前掠翼飞机是德国的容克斯 Ju 287轰炸机。

  属于最早被设计使用喷气式推进引擎的轰炸机,也是仅仅制造了两架原型机,伴随着纳粹德国的战败,就停止研发了。

  当年德国的第一架原型机试飞成功,第二架原型机几近完成。试飞的那架Ju287,当年飞出了每小时512公里的巡航速度。这在二战末期已经是惊人的记录了,到二战结束,美国最先进的B-29轰炸机也只有350公里/时的巡航速度。

  高速带来的问题是阻力的增加,不得不使用后掠翼,但是后掠翼本身带来的问题是低速下升力性能的降低这也就是出工不出力的翼尖失速问题。尤其是在飞机起降的时候,本身攻角大速度慢,飞机的机翼效率如果得不到保障就极其容易失速。

  其实,前掠翼的核心优势就是提高机翼升力的利用率,因此,前掠翼和后掠翼相比:

  这也就是前掠翼飞机的优势了,不过,看看这些“优势”其实都集中在亚音速上。

  虽然X-29是可以有马赫1.6的飞行速度的,而且Su-47也可以飞到马赫2.21,但这些特性就和前掠翼没有过大关系了,这是超音速飞行的空气动力学范畴的内容了。

  其实咱们还是和前掠翼战机有很大的“缘分”的,中国第一架自己研制的战斗机(当年叫做驱逐机)实际上的意思就是前掠翼战斗机。

  只不过当时欧美一样在卡咱们中国人的脖子,这架原型机的发动机是一台从坠毁的C-47运输机上拆下来的莱特SRC-1820活塞式发动机。飞机以木质结构和白铁皮、铝合金制作。

  第一次试飞以失败告终。失败的原因众说纷纭,有的说是飞机的发动机是一台坠毁运输机发动机修复而成,欠缺稳定性,也有人说,飞机的结构难以承受飞行时的应力。

  这个故事其实也在另一方面告诉了大家一个问题,设计和结构、材料同等重要。由于前掠翼飞机本身的机翼向前掠出,本身机翼在高速飞行下所承受的应力要远大于后掠翼战机,因此带来的结构解体、震颤等问题也需要 用结构和材料的手段来解决。但结构的加强和新材料的运用都会带来成本的增加和重量的增加。对于一架主要在高速飞行作战的战斗机来说这些投入就有些显得得不偿失了。因此,不单单是我们,其实世界各国也都把前掠翼战斗机当作一个“玩票”的项目来看待,取得一些试验性的数据但很少把前掠翼战斗机当作主流装备来发展。

  不过,也别太灰心。前掠翼飞机本身的一个优势是攻角的范围远大于普通飞机。这就在教学领域有着先天的容错优势。

  还是利用前掠翼的优势,让飞行员 在早期的飞行训练中更安全。只不过虽然这架很想前掠翼版F/A-18F的战绩外观很虎,但是这是一家亚音速喷气式飞机。也没有真正的解决高速飞行下前掠翼的结构问题。返回搜狐,查看更加多





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