從前掠翼到後掠翼,飛機改變的不只是形狀

2021-02-19 航空製造網

談到前後掠翼的問題,我們首先要了解的就是機翼為什麼要前掠或者後掠。解釋飛機的前後掠,小編有一個還算形象的比喻。那就是當我們從高處跳下的時候,比如蹦極,跳傘等,我們的兩隻手臂會有兩种放置方式,一種就是向後掠,甚至夾緊在身體兩側,一種就是兩隻手臂往前伸。

這是為什麼呢?僅僅是人類學習的結果麼?顯然不只是,更多的是這樣可以減少阻力,身體猶如流線型一樣。飛機機翼的前後掠也是有此功能。大家知道,飛機在空中飛行,機翼猶如一把刀在切割空氣,氣流在機翼處上下分離。當飛機速度繼續增大時,機翼前緣會產生強烈的激波,帶來激波阻力。如果是平直機翼的話,激波阻力會嚴重的限制飛機速度的增加,甚至會因為造成顫振使得飛機解體。世界上第一架超音速飛行的飛機就是平直機翼,衝擊音障時飛機解體。而採用掠型翼,機翼前緣的激波會隨著氣流的外洗而逐漸的脫離機翼,前掠翼從翼根處脫離,後掠翼從翼尖處脫離。

掠型翼時飛機衝破音障,達到更大的速度,實現超音速甚至高超音速飛行的必要條件之一。這次,小編就和大家,一起從前掠翼講到後掠翼。

1、前掠翼

前掠翼最具代表性的飛機就是前蘇聯的蘇-47金雕。

前掠翼飛機的機翼外形的最大特點就是其前緣和後緣均向前掠。在結構上,前掠翼結構可以保障機翼與機身之間更好的連接,並且合理的分配整機所承受的壓力。在機動性上,前掠翼技術可以使得飛機在亞音速下具有非常好的氣動性能,大仰角狀態下的機動性。在起降上,前掠翼飛機的升力更大,載重量也大,因此可以減小機翼面積,縮短滑跑起飛的距離。在控制性上,前掠翼飛機具有較大的可控性,尤其是低速時的可控性。

前掠翼並非十全十美,其技術相當複雜,與之配套的相關技術的要求也很高。氣動部件的強度要求大,而且翼尖顫振的問題至今無法解決,由於材料的制約,前掠翼飛機氣動彈性發散的問題也一直無法克服。因此前掠翼一直沒有廣泛的應用。

2、平直機翼

平直翼是一種最簡單的機翼形狀,從飛機被人類設計出來開始,平直翼就一直存在。有人說,機翼前緣並不嚴格的垂直於機身軸線的機翼算平直翼麼?這個是算平直翼的。機翼前緣和機身垂直,機翼從翼根到翼尖一樣寬,這時最典型的平直翼。一般出現在現在的小型通航飛機上。這樣的機翼製造容易,升力產生效率高,同時阻力也大。為了改善機翼的受力,平直翼可以帶有一點的錐度。從翼根到翼尖逐漸變窄,同時前緣略微後掠。

平直機翼加錐度和後掠後,可以明顯的改善升力的分布,使得更多的升力產生在靠近機翼根部的位置,因為這個地方結構最強,而且力臂也短,降低翼根的應力。平直機翼是大多數低速飛機的首選,成本低,性能夠用。當速度大幅度提高時,平直翼就無法勝任了。

3、後掠翼

後掠翼是大多數飛機的型式。現代的民航客機,大型的運輸機,一般都會選用後掠翼。後掠翼是機翼的前後緣向後伸展的飛機。後掠翼的大小表示機翼後掠的程度,當機翼後掠角度超過25度時,才稱之為後掠翼,不超過25度,依然叫做平直翼。後掠翼飛機有利於高速飛行,因為它具有延緩翼面局部音速氣流的產生,減小飛行阻力。

有人可能會問,既然後掠翼提高飛機的飛行速度,達到超音速的目的,為什麼沒看到有說戰鬥機用後掠翼。其實戰鬥機用的機翼不止後掠,而且演變成了更加新型的機翼——三角翼。後掠翼及三角翼跨音速氣動阻力小,有利於減緩激波阻力的產生,從而能夠使得飛機突破音障。但是飛機機翼後掠,飛機的配平更加困難,導致機動性需要更多的翼面控制和複雜的控制系統。

後掠翼解決了飛機突破音障的問題,但是也帶來了機翼升力不足的問題。機翼的後掠角越大,升力係數越小,機翼帶來的升力也就越小。因而對於飛機的起飛、降落等低速飛行時不利。而後掠翼也有一個致命的缺陷,那就是翼尖失速,氣流流經機翼時,沿機翼前緣由翼根向翼尖移動,從而造成翼尖失速,使得飛機失去部分升力。

4、三角翼

三角翼是飛機機翼的形狀之一,因其像三角形而得名。三角翼構型普遍用於超音速飛行的飛機,像美國的F-22、F-18,中國的殲-10,以及大量的蘇式戰機等。三角翼超音速飛行時阻力小,結構強度高,跨音速時飛機重心向後移動量小。

在超音速飛行中,機鼻形成的衝擊波到達三角翼的大後掠前緣時,會使三角翼產生非常高的氣動效率。大迎角飛行時,三角翼前緣還能產生大量的氣流,附著與上翼面,能夠提高升力。

三角翼的缺點就是其在低速飛行時,機動性和操縱性下降,在起飛、降落,對地攻擊時,都會有影響,對飛機的油耗也有不利的影響。

飛機最重要的部件就是機翼,飛機可以沒有水平尾翼、垂直尾翼,也可以沒有機身,但必須有機翼。飛翼式布局的飛機,整個飛機就是一個機翼。因此,隨著對飛機氣動形式研究的深入,材料、工藝等學科的發展,也許我們能夠看到,滿天飛的都是各種奇形怪狀的飛機。

   



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