飛機最開始的機翼,是矩形的平直翼,因為這樣加工最簡單,后來發(fā)現(xiàn)矩形機翼的升力分布不好,就是說機翼的不同區(qū)域產生的升力不一樣,尤其是翼尖,這里有些區(qū)域幾乎沒有產生升力或者升力很小,不產生升力還白占重量,還額外產生阻力,這肯定要改進,通過數(shù)學計算推導,確定機翼邊緣為橢圓時,阻力最小,升力相對最大。
滿滿的美感
二戰(zhàn)時,很多優(yōu)秀戰(zhàn)機都是橢圓翼,看起來工業(yè)感滿滿,逼格更高。干過機加工的都懂,圖紙設計和現(xiàn)場加工永遠是一對敵人,在二戰(zhàn)時候,要做出橢圓機翼,還要保證強度,是很麻煩的,生產工藝繁瑣,費時費力,在結構設計師、工藝設計師、生產工人的強烈反對下,又重新改進,最后發(fā)現(xiàn)梯形翼的梢根比(翼尖寬度與翼根寬度的比)在0.4~0.5之間的時候,性能和橢圓翼相差無幾。從此梯形翼就代替了橢圓翼,直到現(xiàn)在。如A10。它們都屬于平直翼。
標準的梯形翼
優(yōu)點:低速性能優(yōu)異,可以以很低的速度起飛和著陸,起降距離短。
缺點:阻力大,飛不快,最快的平直翼飛機也只能到700km/h左右,再想提速的話很費勁,對機翼強度要求也很大。
直翼阻力太大
人們想盡各種辦法,拼命想突破音速,終于發(fā)現(xiàn)了叫音障的東西,它就像一個無形的大手,阻擋著人們超音速,這就是激波阻力,這個力甚至能把飛機撕碎。后來,布茲曼在德國研究時發(fā)現(xiàn)后掠翼可以推遲激波的產生,把飛機速度向前提了一大步。于是大名鼎鼎的Me 262誕生,殺敵500,才自損100,二戰(zhàn)后,美蘇開始搶這些科技成品,蘇聯(lián)搶走了圖紙,弄出了米格15,美國搶走了人,設計出了F86,飛機正式進入后掠翼時代。
后掠翼時代的開創(chuàng)者
后掠翼使氣流分解,垂直于機翼前緣流動和沿前緣流動,這使大量附著于機翼表面的氣流流向翼尖,并產生堆積現(xiàn)象,使機翼上下氣壓差減小甚至消失,于是升力就減小了,這就是翼尖失速。高速氣流的流動是一門玄學,沒有太大的規(guī)律性,兩邊翼尖并不是同時失速,而是隨機發(fā)生,這就出現(xiàn)了不定時的兩邊機翼升力不一樣的現(xiàn)象,使飛機搖擺,甚至翻滾,造成事故。
為了避免翼尖失速,就必須不讓氣流流向翼尖,于是,機翼上出現(xiàn)翼刀,強制阻止氣流流向機翼。但在進行高速大仰角機動,尤其是機翼傾斜不規(guī)則運動時,附面層氣流還是難免會繞過翼刀,那么用翼刀來阻止附面層氣流也就不怎么好用了。另外,翼刀在戰(zhàn)斗機水平機動時就相當于幾塊減速板,會導致飛機水平機動能力上差一些。
米格17的三對翼刀
美國解決翼尖附面層采用的是前緣縫翼布局,這種布局在機翼附面層的處理上要比翼刀更為顯著,但控制起來也要復雜很多。前緣縫翼的缺點就是戰(zhàn)機垂直爬升時,仰角更大的縫翼同樣起到了減速板的作用,在垂直方向的爬升性能會受到影響,所以采用翼刀的米格-15垂直爬升性能強,而同時代美國的F-86“佩刀”則是水平機動性強。
前緣縫翼
后掠翼缺點:朝后延伸的機翼,升力使機翼產生一個以翼根為轉軸的扭矩,對結構強度要求很高,尤其是翼尖,這里變形量最大。飛機左右翻滾時,需要靠副翼來實現(xiàn),根據力學原理,翼尖處的副翼作用力矩最大,但是,這里的變形量也最大。副翼向下偏,產生的扭矩卻使翼尖變形向上偏,正好相反,最終就會使副翼的升力消失,這就是副翼失效現(xiàn)象,解決辦法是用兩片副翼,高速副翼和低速副翼,高速副翼在內側,低速副翼在外側,這樣就解決了副翼失效問題。
為了避免后掠翼的缺點,機翼朝前的前掠翼就出來了,最出名的就是俄羅斯的蘇47金雕了,這種機翼氣流是從翼尖流向翼根,翼根失速問題不大,但是最致命的問題是,機翼的升力讓機翼產生變形,使機翼迎角變大,迎角變大,升力就更大,進而導致機翼變形量更大,接著又迎角就更大,走進了死循環(huán),對機翼強度要求極其變態(tài),再加上一些不清楚的原因,前掠翼最終沒有投入使用。
帥到掉渣的金雕
前后掠翼都對結構強度要求很高,尤其是在高速飛行下對強度要求更加明顯,于是三角翼出現(xiàn),一看圖片大家就會覺得三角翼更加敦實,而且三角翼大后掠的前緣可以推遲激波的產生,提高飛行速度,但是它升力系數(shù)小,低速性能不好,滑翔性能差,降落比較困難。
幻影2000
三角翼極其適合高速
隨著空氣動力學的發(fā)展,人們逐漸發(fā)現(xiàn)了渦流的作用,空氣在接觸物體突起邊緣時容易形成渦流,當渦流從主翼上方經過時,形成低壓區(qū),加大了機翼上下方的壓力差,達到了增大升力的效果。在主翼前方加一個后掠角極大的突起(邊條)來拉出渦流,于是邊條翼誕生,比如F16,蘇27,最夸張的就屬F18了。這些邊條翼拉出的渦流很好地增加了升力,提高了低速性能,所以蘇27可以很自在地伴飛慢吞吞的螺旋槳飛機,并保持很好的機動性,時不時來個翻滾,切個發(fā)動機啥的,而采用三角翼的J8,伴飛老美的偵察機時,幾乎沒有躲閃能力。
F18的超大邊條翼
三角翼適合高速,平直翼適合低速,能不能同時滿足這兩個要求呢?于是變后掠翼就橫空出世了。高速飛行時變成大后掠角,低速飛行(起降)時變成平直翼,蘇聯(lián)的米格23是手動檔,美國的F14,F111是自動檔。
F14雄貓
可變后掠實現(xiàn)了高低速兼顧,但是結構工程師卻哭了,飛機設計,可以說是以克為單位細扣重量的,而F14的可變后掠裝置,足足增加了800公斤的體重,而且F14機翼下不敢掛導彈,日常維護和成本也高得嚇人,于是火了一陣子后,就沒有然后了,并不是F14太先進沒有對手了才退役。
現(xiàn)在常規(guī)布局基本都是后掠翼,然后再加一個尾翼,出乎很多人的意料,尾翼產生的力是朝下的,因為后掠主機翼產生升力的同時,也產生了以翼根為轉軸,使機頭朝下壓的力矩,為了抵消這個力矩,尾翼必須向下壓才能使飛機達到平衡,如果后掠翼飛機的尾翼被打壞,它是會直接一頭栽下去的。
飛機都是盡力朝上產生升力,尾翼卻朝下壓,這就減少了飛機整體的升力,于是尾翼前置,也就是鴨翼的好處就出現(xiàn)了,鴨翼是產生升力的,主機翼也產生升力,這樣整體效率更高,而且鴨翼也是一個渦流發(fā)生器,使主機翼的升力增大,即使發(fā)動機動力稍弱,也能產生不錯的升力和載荷。比陣風。
并不強勁的發(fā)動機,卻能實現(xiàn)大掛載
鴨翼的難點在于難以控制,飛機很不穩(wěn)定,操作桿動一下,飛機能動三下,后來靠無數(shù)次的風洞試驗才摸清它的脾氣,配合強大的飛控軟件才解決了它難以馴服的缺點,這種布局,瞬時機動性能強大,能快速地將機頭指向目標,搶先瞄準開火。
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