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战机机翼之发展变革:重心决定机翼布局

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随着时代的发展,战机所要求的速度、高度、机动性越来越高。由于航空理论研究的突破、发动机等技术的提升,使减少掠角、发展三角翼、后掠翼等其他翼型成为了可能;发展到80年代翼身融合升力体和电传飞行控制系统出现,放宽了飞机的静不稳定度。掠角的减小和放宽静稳定度使得战机的布局多样化,有时就会感觉“机翼就慢慢移到了后面”。

我们详细地从战机的历史讲起:

简明历史脉络:平直多翼木头机——金属蒙皮单翼机——后掠翼喷气机——三角翼喷气机——三角翼截击机/可变后掠翼喷气机——装备电传动主动飞行控制系统的翼身融合升力体喷气机

飞机的早期采用的翼型大多是平直翼,就是机翼前后缘和机身垂直,机翼从里到外一样宽。这样的机翼产生升力的效率高。更重要的是结构简单,制造容易。早期飞机的布局常常有双翼、三翼。早期单翼机安全性和稳定性不如双翼机,主要是材料和结构强度的限制。

(一战德国王牌飞行员曼弗雷德驾驶着编号425/17的福克DrI三翼机与协约国飞机交战,可以看到此时的同盟和协约国都装备着多翼、平直翼飞机)

多翼机的缺点很明显:一是结构复杂,给制造带来很大困难;二是阻力很大,消耗额外功率;三是速度很难提高。时间拨到20世纪30年代,此时的航空工业和空气动力理论迅速发展。出现了铝合金航空材料,单翼机安全性和稳定性不如双翼机的缺点有所改善。此时设计和制造的飞机仍以平直翼为主,但是单翼机逐渐取代了多翼机。战斗机的速度得以加快。全金属蒙皮、封闭式座舱也开始出现了。

(大名鼎鼎的零式战机)

(活塞式战斗机的巅峰,美军P-51野马战机)

到了二战末期,不断改进平直翼活塞式战斗机的速度已经发展到极限了。要继续提高速度,就只能在机翼上做文章。理论原因是由于飞机在飞行中,当垂直于机翼前缘的气流流速接近音速时,机翼上表面局部地区的气流受凸起的翼面的影响,其速度将会超过音速,出现局部激波,从而使飞行阻力急剧增加。

而德国人在30年代后开始注意到后掠翼的一些特质,由于可使垂直于机翼前缘的气流速度分量低于飞行速度,因而与平直机翼相比,只有在更高的飞行速度情况下才会出现激波(即提高了临界马赫数),从而推迟了机翼面上激波的产生,即使出现激波,也有助于减弱激波强度,降低飞行阻力。

德国人在二战末期的巨大压力下,首先实战化了喷气式战机me262,装备了火箭动力战机me163,与之高速性能配套的后掠翼也随之出现。

(me262喷气式战斗机)

(me163火箭动力战机,德军黑科技)

随着德国战败,其航空技术资料、物品被各国瓜分,专家被各国以各种形式挖走。40年代后期和50年代初期,美苏等航空强国也掌握了后掠翼和喷气式技术。制造了后掠翼喷气式战机。

(苏联米格-15与美国F-86,此时为典型的后掠翼战机)

随着对战机高速性能的更高要求,飞机速度越快、压力重心会后移的缺点被不断放大。能减少阻力,克服这个缺点的三角翼战机便出现了。三角翼放在飞机中部,但是重心却在中后部。为了配平飞机的重心,所以一般的三角翼飞机都做的比较长。

米格21战机,典型的三角翼

三角翼高空高速的极致——美军SR-71黑鸟高空高速侦察机。因为其高空高速的性能,从来没有被击落过。

三角翼的优点有高空高速性能好,但缺点多多,如低空低速性能差、低空容易失速操纵性不好。起飞距离长。但在60年代的冷战时期,美苏的超音速轰炸机是其核威慑力量的主要组成部分,因此这一时代的战机,特别是用于截击敌方轰炸机的截击机基本上都是三角翼。

(中国空军的歼8-2型战斗机,因为很长所以北约叫它“长须鲸”,与其叫战斗机不如叫截击机。)

其在70年代早期的开发初衷是为了截击可能来自苏联的超音速轰炸机的。当时南海撞击事件时,海航飞行员王伟驾驶的歼8-2型,亚音速性能不理想,实际上并不适用于作为拦截美军螺旋桨电子侦察机的飞机。但中国当时除了它以外没有更先进的现役战机了,所以海航被迫装备了大量该型飞机。

苏美两国在应用三角翼战机时,也注意到了三角翼战机的各项缺点。在亚音速状态时升力较小,诱导阻力较大,效率不高,所以要相当长的机场来进行起降作业。而在战争条件下,机场随时可能被破坏;航空母舰跑道有限,以传统后掠翼战机可能无法与敌方陆基飞机对抗。

美帝和毛子在一段时间的技术瓶颈期后,终于开发出了可变后掠翼技术。让飞机在起飞时使用尽可能的平直机翼。在高速巡航时减小掠角,使用小掠角的后掠翼。让飞机的低空低速性能和高空高速性能尽可能平均。

F-14雄猫战斗机高速飞行时,注意机翼上因为高速冲击波扫过空气而产生的水雾。

F-14起飞时,机翼打直、放下襟翼、开加力,以提供最大的增升效能。

但问题又来了,可变后掠翼的技术比较复杂。分为几个方面:第一是机械结构复杂。第二是不可能整个机翼都变动。机翼变动后重心也会跟着变化,F-14雄猫的变后掠翼角度就只能在20度角到68度间变换。同代的苏联米格-23的后掠角则只有18°40′、47°40′和74°40′(机翼前缘)三档可调。

追求高速则低速差,追求均衡则结构复杂,出现了似乎不可能跳出的死循环。上世纪70-80年代,翼身融合升力体和配套的电传动飞行控制系统,使得飞机的气动中心可以在重心之前(放宽静稳定度)。静稳定度放的越宽,重心越靠后,机翼也能越来越后了。

我们可以看到,由于战争对飞机速度的不断追求,(以及当时其他技术的限制)机翼的掠角越做越小了。由于对速度、机动性等综合性能的考量,放宽静稳定度的飞机重心跑到了后面,机翼也就越来越后了。

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