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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。" s( v; h  d4 W4 }! k3 Q9 S9 d

# X# f+ r7 F0 q% c6 b8 O& }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。
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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。+ r9 j1 z' Z; i) y7 A
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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
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7 I7 M! O- n' c$ [% a; C8 _; R& m  X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。! P$ Z4 O7 y# h% \' f( j/ }

- k/ p. N5 ?% c" _/ P+ g' @+ W) c! i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。
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早期喷气战斗机大多采用后掠翼，如米格-15
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$ |: v4 v- g  d$ o1 G( u, B' b# z4 _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。
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0 u5 A. E( K4 s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。
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但三角翼逐渐成为超音速战斗机的主流，如幻影III; F$ W2 G' Y; {; w: P6 I

/ n& ]/ s7 v- ]5 ?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。; `* v% L8 c, E, j' t' `
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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。$ x/ Z- C( H5 @* w7 Z( u0 r
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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。) c" ?2 `2 f5 c8 E$ k

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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6 q' ?" s+ C' M3 ~! ^. k( B! o$ |
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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。" F4 n7 a" f  T. X7 f5 o. [
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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。- o1 {' H$ C0 I8 X, ^1 V) y9 b

: W' j7 X8 S( x  q; K- n# u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。
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在隐身时代，三角翼变身为菱形翼，如YF-23
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* R8 A$ E- y. @! N: g0 F4 w/ @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。
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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
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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。$ N. @/ i- f# L  N  P8 ?
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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。
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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）
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无尾飞翼也采用人字翼，如B-21（上）、RQ-180（下）0 ~7 q8 w9 D+ D$ e1 L
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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。
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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。0 w; i0 f' n: B( b

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" y. o  D3 A. C人字翼的一个变异是八字胡翼，如X-47B
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' H3 D/ q4 @1 r# j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。
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3 t0 Z  [) o8 f: T0 p* h" {人字翼及其变异是很值得重视的新型机翼。, F6 H8 d$ i: a+ ]  N+ B  R5 w* R" l

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