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賽斯納龐巴迪

飛機機翼的形狀與飛行速度的關系

私人飛機網 更新時間:2020-06-03 11:48:16 來源: 字號:

  飛機能上天,就是機翼產生升力的結果。但是飛機上天后,機翼也產生阻力,影響飛機前進,所以機翼的形狀、大小關系到飛機的速度。隨著氣動理論的完善、制造工藝的提高以及新材料的不斷應用,機翼的性能經過多次改進,已今非昔比。

  早期的飛機機翼都是平直的。最初是矩形機翼,很容易制作。但由于其翼端寬,會給飛機帶來阻力,嚴重地影響了飛機的飛行速度。為此,人們曾設計了一種橢圓形機翼。這種新機翼的翼端雖然窄了,但其制作工藝卻十分復雜,很難制作。后來,人們又設計出了梯形機翼。梯形機翼兼具矩形和橢圓形機翼之長,制作也比較方便,盡管仍有一個小小的翼尖,但阻力還不算大。因此,20世紀30年代至40年代末,梯形平直機翼幾乎一統天下。二戰中出名的飛機如美國的P-51、蘇聯的杜-2、日本的零式戰斗機等都是梯形平直機翼。

  1945年,英國研制了兩架飛機,安裝了當時最先進的噴氣發動機,飛機平飛的最大速度達到974千米/小時。若從12000米高度俯沖到9000米高度時,速度甚至達到1120千米/小時,接近音速。但機翼上出現了“激波”,使機翼表面的空氣壓力發生變化,空氣作用力的總作用點后移,飛機會自動俯沖。當時飛機的操縱系統和舵面的大小等,都沒有考慮這種情況,所以不可能把俯沖狀態中的飛機拉起來平飛。大角度的俯沖,使飛機增速更快,最后,超出它本身能承受的強度,所以飛機就散架解體了。

  機翼上產生激波后,飛機的阻力會急劇增加,比低空飛行大十倍甚至幾十倍,所以即使用噴氣式發動機,也很難使飛機超音速。當時把這種困難叫做“音障”。德國人發現,把飛機的機翼做成后掠的形式,像燕子的翅膀,可以延遲“激波”的產生,減少阻力,也可以緩和飛機接近音速時自動俯沖的不穩定現象。1948年,美國在F-86戰斗機上應用后掠機翼。原蘇聯在上個世紀40年代末期,也研制出帶后掠機翼的噴氣式殲擊機米格-15。進入20世紀50年代,世界上超音速飛機的翅膀幾乎全都是后掠機翼的。

  20世紀五六十年代,人們設計飛機的指導思想是越高越快就越好。為了達此目的,機翼的后掠角越來越大。而為了保證飛機的安全,又要加重鋼梁,加厚蒙皮。但飛機重量增加了,又直接影響飛機的速度和高度。怎么辦?人們把后掠機翼的前緣和平直機翼的后緣結合起來,設計制作出了三角機翼。從俯視角度看,三角機翼飛機的兩只機翼連接起來是一個等腰三角形,剛度明顯增強。1963年8月試飛的美國SR-71飛機就是三角機翼,其大部分用鈦合金制成,最大飛行速度相當于音速的3.5倍,飛行高度可達2.4萬米。法國“幻影”系列飛機也采用了三角機翼。20世紀60年代三角機翼又風靡一時。

  飛機機翼采取向后掠的形式后,又出現了新問題,它比不向后斜的普通機翼,在同樣的條件下產生的升力小。飛機起飛時,要滑跑到很大速度,才能使升力等于重量,然后飛機才能離去,跑道要很長,著陸的情況也一樣。因此,現代殲擊機起飛跑道多在1000米以上,重型轟炸機起飛跑道大于2000米。所以現代大型機場跑道的長度都要超過3000米,戰時很容易被敵人破壞。在空中巡航時,后掠翼飛機比普通機翼飛機耗費油料多,航程也會受影響。

  于是,有人研究出一個方案,就是使機翼能改變后掠角。起飛、著陸和巡航時,機翼在平直位置;要飛大速度時,機翼向后斜。要想讓一架普通飛機改變它的機翼后掠角,首先要解決飛機的平衡問題。原來機翼在平直位置平衡好的飛機,當機翼向后轉,加大后掠角時,升力作用點向后移,飛機會低頭俯沖,不能飛行。經過多次試驗,1964年,世界上第一架變后掠翼飛機F-111終于研制成功。這種飛機在起飛、著陸和低速飛行時,其兩翼盡量伸直,后掠角只有16度,從而具備了平直機翼升力大的特點;而在高速飛行時,它的兩翼又盡量后掠,后掠角可達72.5度,變得像三角機翼一樣,因此能夠輕易突破“音障”。其后蘇聯也相繼推出了變后掠翼飛機米格-23、蘇-20和蘇-24等。

  要改變機翼的后掠角,其實是很難的。機翼前后轉動,要用很大的軸承和堅固的結構,這樣,變后掠翼飛機的重量要增大。不過,隨著氣動力學的發展,人們發現邊條機翼可以為其后方的基本機翼提供升力。所謂邊條機翼就是在基本機翼根部前緣加裝一條后掠角大于70度的邊條。邊條機翼既具有變后掠翼高低速兼優的性能,又具有重量輕、構造簡單的特點。難怪今天許多新式飛機都采用了邊條機翼。邊條機翼的應用使許多重型戰斗機的起飛、著陸性能大幅度提高。如蘇-27的起飛滑跑距離僅400米,著陸滑跑距離也只有550米,對機場的依賴明顯減小,甚至可以在土跑道上起降。1974年2月試飛的F-16也采用了邊條機翼。

  在發現邊條機翼優越性的同時,人們也認識到了翼身融合的優點。機翼和機身融合為一體,可大幅度地降低阻力,提高整機的升力,減輕結構重量。飛機還可由此得到更大的機內空間,使其載油量增加,從而具有更長的航時和航程。1989年7月首飛的美國B-2戰斗機一經亮相便以其獨特的外形引起了世人的注意。它在海灣戰爭和科索沃戰爭中戰績不凡,備受軍界的青睞。

  在機翼形狀的演變程中,有的機翼類型被淘汰了,如變后掠機翼因結構復雜、重量增大,20世紀90年代新研制的飛機幾乎都不采用這種機翼了;更多的機翼種類則互相融合,取長補短,變幻出更多的形式。100多年來,飛機翅膀的變化展現了人類無盡的創造力。隨著科學技術的飛速發展,不久的將來,一定還會出現許多現在還無法想像的新式飛機和新形機翼。

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