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飛翼三部曲之二:為什么只有美國裝備了飛翼機(jī)?

盡管很多航空強(qiáng)國都在研究飛翼,但迄今為止,也只有美國空軍真正裝備了大型的飛翼布局的飛機(jī),比如B-2轟炸機(jī),RQ-170無人偵察機(jī)。其他國家的飛翼機(jī)基本處于研制驗證階段,尚未服役。當(dāng)然,也有將英國的“火神”轟炸機(jī)歸為飛翼機(jī),但它不太純粹,機(jī)身仍然較為明顯,還有垂直尾翼。除了缺乏資金,起步較晚、裝備發(fā)展戰(zhàn)略等原因外,一個主要的原因在于飛翼機(jī)一個技術(shù)上的難題。

 YB-49使用了小型垂尾,但是航向穩(wěn)定性仍然不佳。

其實,飛翼的優(yōu)勢早就被人們注意到了。1928年,諾斯羅普設(shè)計了美國第一架飛翼布局飛機(jī),從1928 年到1955年間,諾斯羅普和他創(chuàng)建的公司陸續(xù)制造了一系列飛翼飛機(jī),其中包括N-1M、N-9M、JB-1、JB- 10、XP-56、XP-79、XB-35、YB-35和YB-49等。但最后都無果而終。因為在當(dāng)時的條件下,很難解決飛翼的控制問題,YB-49的試飛員就抱怨飛機(jī)很不穩(wěn)定、難以控制,無法保持一條穩(wěn)定的航線。

飛翼由于取消了垂尾(YB-49實際上還有小型的垂尾),航向穩(wěn)定性較差,基本處于中立狀態(tài),航向上控制比較難。因此,飛翼首先要解決的是航向控制問題。

飛機(jī)三個軸向上的穩(wěn)定性。縱向穩(wěn)定性是俯仰軸上的,偏航穩(wěn)定性也叫側(cè)向穩(wěn)定性是偏航軸的,橫向穩(wěn)定性為滾動軸上的。圖片來自網(wǎng)絡(luò),版權(quán)歸制作者所有。

這里首先要說說穩(wěn)定性的問題。所謂穩(wěn)定性,就是當(dāng)飛機(jī)受到擾動后,仍然能夠保持原飛行狀態(tài)的趨勢。飛機(jī)的穩(wěn)定性通??梢苑譃?個軸來說:縱向穩(wěn)定性、橫向穩(wěn)定性和側(cè)向穩(wěn)定性??v向穩(wěn)定性也就是在俯仰方向上的穩(wěn)定性。橫向穩(wěn)定性則是滾轉(zhuǎn)方向上的,側(cè)向穩(wěn)定性又稱航向穩(wěn)定性。而側(cè)向穩(wěn)定性和橫向穩(wěn)定性往往相互干擾,相互耦合,所以經(jīng)常談到橫側(cè)向穩(wěn)定性。

航向穩(wěn)定性示意圖。

我們先來看看最常提到的縱向穩(wěn)定性??v向穩(wěn)定性,又叫俯仰穩(wěn)定性,是指飛機(jī)受擾動后繞橫軸保持穩(wěn)定的趨勢。飛機(jī)在受到擾動而產(chǎn)生俯仰運動時,會自動產(chǎn)生抑制俯仰運動的力,該力使飛機(jī)恢復(fù)到原來的飛行姿態(tài)。

對于縱向上穩(wěn)定的飛機(jī)來說,也就是重心位于焦點之前的飛機(jī),如果受到由下方向上的擾動氣流,會導(dǎo)致飛機(jī)迎角增大,由于迎角增大,飛機(jī)升力增大,也就是說作用于氣動焦點的里增大,便會相對于重心產(chǎn)生一個低頭力矩,促使飛機(jī)回到原來的狀態(tài)。反之亦然。如果是縱向靜不穩(wěn)定的飛機(jī),重心在后,焦點在前,遭到由下向上的氣流擾動時,會進(jìn)一步增大抬頭力矩,于是飛機(jī)就是不穩(wěn)定的。

B-2右側(cè)的阻力式方向舵已經(jīng)打開。飛翼布局需要解決控制上的解耦問題。因為其控制面都位于后緣,一個控制面偏轉(zhuǎn),可能同時導(dǎo)致縱向、橫向和側(cè)向穩(wěn)定性和配平問題。

橫向和航向穩(wěn)定性與之同理。常規(guī)布局飛機(jī)的縱向穩(wěn)定性主要是靠水平尾翼起作用,鴨式布局則依靠鴨翼進(jìn)行配平,無尾飛機(jī)則依靠機(jī)翼后緣襟副翼產(chǎn)生俯仰力矩。飛機(jī)的橫向穩(wěn)定性則依靠副翼或者襟副翼控制,而航向穩(wěn)定性由垂直尾翼、尾鰭保證,航向由方向舵控制。

為確保起降階段的航向穩(wěn)定性,B-2的大型起落架艙門起到了腹鰭的作用。

飛翼在航向上是中立的,也就是說受到擾動后無法產(chǎn)生回轉(zhuǎn)力矩。為了解決飛翼的航向穩(wěn)定性和航向控制問題,人們找到了很多控制措施。最常見的當(dāng)屬開裂式阻力方向舵。它位于機(jī)翼外段后緣,通過位于機(jī)翼上下表面的兩個阻力片同時開啟,增加飛機(jī)一側(cè)的阻力,進(jìn)而讓其向該側(cè)產(chǎn)生偏航力矩。不過,開裂式方向舵在小偏角下的偏航操縱效率較低,為保證其能夠迅速產(chǎn)生足夠的操縱效率,其往往預(yù)置一個小的偏角。當(dāng)兩側(cè)的阻力方向舵同時小偏角對稱張開時,還能在一定程度上增加飛機(jī)的縱向靜穩(wěn)定性,而兩側(cè)的開裂式方向舵同時大偏角打開,還能起到減速板的作用。但是這會削弱飛機(jī)的隱身效果。因此在處于隱身突防階段時,開裂式方向舵盡量不張開。B-2就在機(jī)翼外段后緣安裝了諾斯羅普專利減速板-方向舵負(fù)責(zé)偏航控制。即便使用了開裂式方向舵,B-2為確保起降階段的航向穩(wěn)定性也使用了額外的設(shè)計,主起落架艙門打開時,相當(dāng)于一對腹鰭,以增加航向穩(wěn)定性。

即便是使用開裂式阻力方向舵,飛行中要保持航向穩(wěn)定仍然需要頻繁地調(diào)整。但是這是靠人工無法完成的。這也是傳統(tǒng)飛翼一直得不到應(yīng)用的主要原因。這就必須依靠計算機(jī)控制的電傳操縱系統(tǒng)。這一點和放寬縱向穩(wěn)定性的三代機(jī)類似,很多三代機(jī)縱向穩(wěn)定性很小,或處于中立狀態(tài),甚至是靜不穩(wěn)定的,那就必須依靠電傳操縱系統(tǒng)。

幻影2000這種無尾飛機(jī)主要依靠機(jī)翼后緣襟副翼進(jìn)行配平。

航向穩(wěn)定性解決了,再來看看縱向穩(wěn)定性和配平的問題。傳統(tǒng)飛機(jī)中,平尾負(fù)責(zé)縱向配平,當(dāng)然,鴨式布局的飛機(jī)則依靠鴨翼和后緣襟副翼配平。而飛翼并無平尾,那靠什么進(jìn)行縱向配平呢。這個問題也不難,畢竟之前已經(jīng)有無尾戰(zhàn)斗機(jī)成功解決配平問題。法國的“幻影3”“幻影2000”等無尾三角翼布局飛機(jī),它們依靠機(jī)翼后緣襟副翼或者升降副翼配平。但是襟翼副配平的問題在于距離重心位置較近, 配平力臂小。為了進(jìn)一步提高配平力臂,上述三角翼飛機(jī)都采用大后掠角設(shè)計,一進(jìn)一步增大弦長,進(jìn)而拉大了機(jī)翼后緣距離重心的距離,即便如此,配平時的舵偏角較大,導(dǎo)致配平阻力較大。

而傳統(tǒng)飛翼的后掠角較小,后緣距離重心較近, 配平控制力矩比較小,這就對縱向配平提出了更高的要求。為此B-2轟炸機(jī)通過W型的尾部,有意增大了舵面距離重心的距離,一定程度上彌補(bǔ)了縱向配平力矩不足的問題。

解耦,是飛翼控制的終極難題。為了降低控制上的困難,增大裝載容量,美國在發(fā)展隱身加油機(jī)的時候,提出了上述兩種略有不同但理念相同的概念方案(上圖為機(jī)翼下方進(jìn)氣,下圖為背負(fù)式進(jìn)氣道)。它們可以認(rèn)為是飛翼的進(jìn)一步變形,加裝了V型尾翼,機(jī)身向后延伸,便于增加密度較小的燃油裝載體積。但是會削弱飛翼的一些固有優(yōu)勢。

由于飛翼縱向和航向配平都依靠機(jī)翼后緣裝置進(jìn)行,這很容易導(dǎo)致多個方向發(fā)生耦合。這些舵面都布置在飛翼后緣,它們往往并不是單獨工作、單獨發(fā)揮作用的。有時候一個舵面要同時擔(dān)負(fù)多個舵面的作用,比如,它可能既是升降舵又是副翼,既是方向舵,也要當(dāng)減速板。有的舵面的一個動作,可能都會帶來縱向、航向和橫向三個方向的耦合。這就需要在控制系統(tǒng)中“解耦”,這就涉及到復(fù)雜的控制問題了。因此說,飛翼最關(guān)鍵的是解決控制問題,這既有硬件上的創(chuàng)新,更多的是要解決軟件和控制理論上的難題。

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