為啥噴火戰機被視為優雅的化身?這對橢圓形機翼實在太奇特

2020-11-28 騰訊網

【軍武次位面】作者：騎豬騎士

二戰爆發前，英國的航空工程師們與他們的德國同行關係十分密切，"噴火"的設計師雷金納德·米切爾曾致信德國同行恩斯特·海因克爾，祝賀他設計的"閃電70"（70 Blitz）打破世界紀錄。恩斯特1932年設計的"閃電70"是一架5座高速郵政飛機。一個重要的特徵是橢圓形的機翼。另一個是其光滑的機身表面。

▲"閃電70"又叫He-70，推出後打破了6項世界記錄

當時的英國戰鬥機都是過時的雙翼飛機，米切爾對恩斯特精心設計的"閃電70"的讚賞讓人們聯想到"噴火"的設計是"複製"或"抄襲"或受"閃電"影響的。多年後，負責噴火機翼設計的加拿大裔空氣動力學家貝弗利·申斯頓否認了這一點，其他飛機也使用過橢圓形機翼，其優勢眾所周知的。

1907年英國理論家弗雷德裡克·蘭切斯特就通過計算闡述了橢圓機翼的優點。申斯頓很早就為"噴火"選擇了機翼的形狀。米切爾想用更薄的機翼前緣，但是皇家空軍要求在每側安裝四挺7.7毫米機槍。為了容納這4挺機槍，機翼前緣被設計得很厚，橢圓形的機翼從離翼根很遠的地方開始變窄。申斯頓對米切爾說"我才不管它是不是橢圓，只要它能容納機槍就行!"

▲二戰中的兩型著名戰機超級"海噴火"和"野馬"

理論上來說橢圓機翼的優點在於其產生的阻力是最小的。誘導阻力是由於產生升力而產生的阻力，而不是由表面摩擦和飛機經過渦流所產生的阻力。誘導阻力隨著飛機減速和機翼與空氣夾角的增大而增大，主要影響爬升速度和機動性。另一方面，摩擦阻力會影響最高速度。蘭切斯特用數學證明了當升力分布面為橢圓型時，誘導阻力最小。但這只是理論，實際的飛機有機身和發動機機艙，控制面以及機翼下散熱器進氣口和武器，所有這些因素都會使升力分布偏離了理想的橢圓形。

即使使用了橢圓形的機翼，也有一些機型的性能並不如意，比如霍克的"海怒"戰鬥機遠不如"噴火"式。美國共和公司的P-47使用與戰前設計的P-35相同的機翼。機翼的前緣筆直、外翼後後掠，後緣為半橢圓形，在實現橢圓形面積分布是同時降低了製造機翼前緣的難度。

▲霍克"海怒"戰鬥機

▲P-47戰機

其他公司嘗試了梯形的機翼，用兩個三個梯形構成近似的橢圓，發現梯形並不明顯地劣於橢圓形，並且仍然保留的翼尖的橢圓。直到北美公司的P-51和格魯曼公司的F6F的出現，這兩型飛機拋棄翼尖的圓角。F6F在尾翼翼尖保留了圓角，P-51的水平尾翼和垂直尾翼的曲線與機翼一樣銳利。最後發現，"理想的"橢圓升力分布和翼尖形狀似乎並沒有太大的聯繫。

倒鷗翼的是德國Blohm＆Voss公司極富創造力的首席設計師理察·沃格特的最愛。他將其用於一種俯衝轟炸機，以及一種用於在南大西洋上空飛行的四發水上飛機Ha 139。沃格特又嘗試了在三發水上飛機Ha 138上嘗試了正鷗翼。水上飛機的設計師經常使用鷗翼讓發動機遠離水面。但是沃格特的想法與眾不同。他設計的三發飛機Ha 138的機翼成一個銳利的V型，發動機安裝在夾角下的一個掛架上。事實證明，這種設計的空氣動力學性能非常差，以至於他不得不用平直翼來代替鷗翼。

▲Ha 139水上飛機

▲F-4U"海盜"也使用了倒鷗翼設計

機翼的尺寸也是影響性能的重要因素。機翼的長度與其弦長之比稱為展弦比。在19世紀，人們通過觀察鳥類就發現了，大翼展和展弦比的機翼可以減輕減小阻力，但是這種機翼在飛行中操縱性較差，而與短而寬的低展弦比的機翼更堅固。亞音速飛機的機翼分為兩大類。用於戰鬥機等快速、高機動性飛機的機翼往往比較薄，展弦比為5或6。為運輸而設計的飛機展弦比更高，通常為10或更高，並且為了容納必要的內部結構，機翼很厚。

機翼設計的另一個重要的特徵是截面形狀。法國，德國，英國和美國的等航空研究機構已經設計了適合各種速度和機翼載荷的機翼形狀。這些機翼形狀都是用抽象的數學方程表示的，然後通過風洞測試測量了這些形狀的空氣動力學特性，飛機設計人員將從目錄中選擇合適的形狀。

德國科學家麥克斯·芒克在機翼形狀方面做了很多奠基性的研究，他於1920年以技術顧問的身分進入NACA蘭利實驗室，並最終成為空氣動力學負責人。蒙克是一個很難與之共處的人，他獨裁，刻板，執著於等級制度，對人不敏感，並且由於英語水平不高。1927年，蘭利分部負責人集體辭職表示對他不滿之後，芒克被迫離開，在一所大學教書

在1930年代後期，NACA空氣動力學專家伊士曼·雅各布斯開發了一種用於設計翼型的系統，在複雜的數學公式中產生一組所需的解。第一個成功是用於P-51"野馬"的"層流翼型"。從理論上講，保持機翼上方的空氣平滑流動可使阻力減半。在實踐中，空氣會在機翼表面形成微小的湍流。層流翼型的最大厚度位置更靠後緣，前緣半徑較小，上表面比較平坦，空氣可以儘可能在更長的距離上加速，這就推遲了湍流的產生，

▲傳統翼型（上）和層流翼

每種機型都是理論與實際的碰撞。飛機材料的性能、需要容納乘客和貨物、起落架的要求以及隨之而來的離地間隙、冷卻、可維護性等等需求都在理論和實際中間造成了巨大的對立。設計師面臨的挑戰是將實驗室的理想形狀與實際要求相結合。出色的航空設計師的標誌是一種能力。這種能力不是將一個特徵發揮到極致，而是將許多相互矛盾的元素結合成一個成功的整體。解決這個難題的方法永遠不會只有一種，如果有的話，最後只有一種完美的飛機。

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