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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。
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5 v3 P5 y$ o$ h+ K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。+ M5 H$ C" n, K6 n U% o- ^2 l
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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。' Q/ C5 e Y2 f( @) S. j% [
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' N. A, _( k: M1 p( Q, w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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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。% l. Y- N6 y* q- [' o ?
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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。* a, l7 Z- o7 h
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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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" N7 g) w1 W, c+ M: \" Y+ d7 f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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/ x( c8 ]9 j! a! X& X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" s( P- }1 m; E7 k% ^) y
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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。
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, L8 J- s5 H- F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。
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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。
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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8 `. y V; v! c( ^) I6 L
2 V% ` ^( j' R, V* l J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。
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: r" \( [5 G* _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。$ J: ]/ g% ^3 v, z4 @6 S
: e3 _/ h' s. d* i6 h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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S! v4 J+ k# {在隐身时代,三角翼变身为菱形翼,如YF-23
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( X; c7 n+ ^& n3 a4 t2 Y, g6 }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。' l, q7 P `% v2 |2 e0 J7 R3 Z0 y( I
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. U9 q0 h# r& s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。
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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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5 S3 \6 S. i: x2 o f* A5 x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)
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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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; i$ N! E4 H2 ?& h" _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。
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% J) g- {1 p+ n人字翼的一个变异是八字胡翼,如X-47B
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% k1 O' ]' v% H& b! a+ \- A9 g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。7 y% M& M; V. S% _4 C. Z
- Q/ z* b9 t) v人字翼及其变异是很值得重视的新型机翼。
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