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前掠翼飞机

发布时间:2019-06-15 15:13 来源:未知 编辑:admin

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  前掠翼飞机的英文名称为:forward-sweptwingairplane,前掠翼飞机是机翼前、后缘向前伸展(前掠)的飞机。它的梢弦在根弦的前面,左右翼俯视投影形成一个V字。前掠翼是和后掠翼同时提出的,两者推迟激波产生的原理是完全相同的。

  前掠翼虽和后掠冀同时提出,却很少被采用。20世纪70年代以后,出现了利用复合材料结构的弯扭变形耦合效应即通过布置不同纤维方向铺层克服上述现象,同时由于变弯度技术、放宽静稳定度技术和电传操纵控制技术等的发展,前掠翼飞机于是又受到航空界的重视。1984年12月14日美国X-29A前掠冀验证机首次升空。

  机翼前、后缘向前伸展(前掠)的飞机。前掠翼与后掠翼正好相反,梢弦在根弦的前面,左右翼俯视投影形

  成一个V字。前掠翼是和后掠翼同时提出的,两者推迟激波产生的原理是完全相同的。1944年德国制造了第一架前掠翼飞机容克斯287,机翼前掠角为15°。但前掠翼产生弯曲变形时会使外翼迎角增大,从而使外翼升力增大,造成机翼弯曲变形加剧,在一定(临界)速度下,这种现象会形成恶性循环,直到使机翼折断。为了提高临界速度,需要付出增加结构重量等代价。所以,前掠翼虽和后掠翼同时提出,却很少被采用。70年代以后,出现了利用复合材料结构的弯扭变形耦合效应(即通过布置不同纤维方向铺层)克服上述现象,同时由于变弯度技术、放宽静稳定度技术和电传操纵控制技术等的发展,前掠翼飞机遂又受到航空界的重视。

  飞行中,当垂直于机翼前缘的气流速度接近音速时,机翼上表面局部气流速度将超过音速,出现激波,使飞行阻力急剧增加。前掠翼技术可使飞机在亚音速飞行时具有非常好的气动性能,从而大大提高其在仰角状态下的机动性。若前掠翼布局与推力矢量控制系统综合使用,还可使其在空战中更具优势,其近距空战机动能力将成倍地提高。

  前掠翼结构可以保障机翼与机身之间更好地连接,并且合理地分配机翼和前起落翼所承受的压力。这些优势用其它方法很难达到或者不可能达到,它大大提高了飞机在机动时、尤其是在低速机动时的气动性能。此外,前掠翼的结构设计,还可使飞机的内容积增大,为设置内部武器舱创造了条件,同时也大大提高了飞机的隐身性能。

  前掠翼技术可使飞机在亚音速飞行时具有非常好的气动性能,从而大大提高其在仰角状态下的机动性。若前掠翼布局与推力矢量控制系统综合使用,还可使其在空战中更具优势,其近距空战机动能力将成倍地提高。

  与相同翼面积的后掠翼飞机相比,前掠翼飞机的升力更大,载重量增加30%,因而可缩小飞机机翼,降低飞机的迎面阻力和飞机结构重量;减少飞机配平阻力,加大飞机的亚音速航程;改善飞机低速操纵性能,缩短起飞着陆滑跑距离。据美国专家计算,F-16战斗机若使用前掠翼结构,可提高转变角速度14%,提高作战半径34%,并将起飞着陆距离缩短35%。

  使用前掠翼结构可以提高飞机低速度飞行时的可控性,并能在所有飞行状态下提高空气动力效能,降低失速速度,保证飞机不易进入螺旋,从而使飞机的安全可靠性大大提高。

  前掠翼的严重问题是在结构方面,沿结构曲线方向的弯曲变形会使外翼沿气流方向增大迎角,增加外翼部分升力,进一步增加机翼的弯曲变形。在足够大的速度下,这种现象会形成恶性循环,直到使机翼弯曲折断。这个现象称弯扭发散。开始弯扭发散的速度称弯扭发散(临界)速度。为了提高前掠翼的弯扭发散速度,需增加机翼抗弯刚度,这就会导致机翼结构重量的增加,以致完全抵消采用前掠翼带来的好处。这是前掠翼飞机很少被采用的主要原因。70年代以后,有人提出用复合材料结构的弯扭变形耦合效应克服前掠翼发散的缺点,也就是通过布置不同纤维方向的铺层,使机翼的弯曲变形引起附加的负扭转变形,从而抵消由升力引起的前掠翼正扭转。这样可以得到不发散而重量轻的前掠机翼,前掠翼飞机遂又引起人们的注意。

  由于前掠翼翼尖是产生升力的有效区域,前掠翼将会产生很大的扭转力矩,将机翼截面扭转到更大的迎角,从而进一步加大升力和扭转力矩。升力和扭转力矩是同飞行速度的平方成正比的,因此飞行速度越大问题越严重。这种现象就是众所周知的气动弹性发散问题。当扭转力矩超过结构载荷的极限时,机翼就会失效。传统的销结构不能承受前掠翼如此大的气动弹性变形。X-29的不同之处在于使用复合材料解决了机翼的气动弹性问题。X-29机翼被设计成向相反的方向扭转,比如在受到扭转载荷后前缘向下,因此减小了迎角,这将有效地阻止气动弹性发散。这种航空材料的进步为人们对前掠翼技术热情的复苏铺平了道路。

  Ju287是世界上的一种前掠翼喷气式轰炸机。1943年,Junkers公司的由Hans.Wocke领导的设计小组受命研制一种能够超越盟军任何战斗机的重型轰炸机。首次提出的方案是涡轮喷气

  发动机和后掠翼方案。这种方案在高速飞行中优点明显,低速时则有不易操纵的缺点。因此,设计小组提出:将后掠翼方案改为前掠翼方案,兼顾高速和低速飞行的需要。 前掠翼虽然高低速性能均优秀,但是存在气动发散问题:即当速度和仰角达到一定值时,很难保证飞机的静稳定性。仰角越大,机翼的弯曲变形越大,直至结构被破坏。前掠翼对飞机机翼的结构和弹性变形有特殊要求。为此,在设计Ju287时对机翼结构进行了一些改进。

  为了加快研制进度,第一架原型机Ju287V1机身采用He177A的现成部件:机尾沿用Ju388;主起落架沿用Ju352;前起落架甚至取自被击落的美军B-24轰炸机。只有前掠翼是重新设计的。装用4台Jumo004m型涡轮喷气发动机,两台布置于前机身两侧,另两台吊装翼下。

  1944年8月16日,Ju287V1首次试飞,结果十分令人满意。可是在接下来的试飞中,当速度达到650KM/h时,气动发散问题开始出现,幸而只是感觉舵效减小,飞机不自主地趋于俯冲。

  就是第二种原型机Ju287V2,使用4台Heinkel-Hirth011A喷气发动机,每侧翼下挂两台。由于该发动机生产厂被盟军炸毁,不得已改为使用6台BMW003A-1发动机。如每侧翼下悬挂3台,称为Ju287V2;如每侧翼下悬挂2台,前机身侧保留1台,和V1型一样,称为Ju287V3型,即预生产型Ju287A-0.

  1945年,生产线型和Hans.Wocke及设计小组被苏军俘虏,带回苏联对Ju287计划继续研究。1947年Ju287在苏联试飞,称为пп-2,达到了1150KM/h(M0.95)的速度。当时的技术水平,前掠翼的技术问题无法彻底解决,所以并未进一步发展。

  格鲁曼的X-29飞机虽然看起来就像一个奇怪的幽灵,但是该机是一架带有一定用途的飞机。德国战争时代的

  容克Ju 287轰炸机证明了.前掠翼(FSW)能够改善飞机的高速性能。但是前掠翼技术一直被搁置,直到与该概念有关的结构问题能通过先进的复合材料来进行解决,通过使用X-29飞机来试飞这种机翼构型,给人们带来了大量的航空新知识。

  X-29A 机长 16.44 米,机高 4.36 米,翼展 8.29 米,采用全动式鸭翼、前掠机翼、后机身边条布局,机翼内半翼后掠,外半翼前掠,两半翼交汇处的不利气流由鸭翼产生的脱体涡卷走,使机翼有较好的升力特性。X-29A 的机翼采用铝合金和钛金属结构,石墨环氧树脂复合材料的蒙皮。X-29A 的飞行控制系统可以极大的减小由前掠翼设计带来的飞行不稳定性,其控制计算机可以40次/秒的频率对各个飞行控制面进行调整。另外,三台数字控制计算机还具有备份功能,即一台计算机出现问题后其余两台可以及时接替其工作。X-29A 安装有一台通用电气的 F404-GE-400 涡扇喷气发动机,其最大推力为 7,260 千克。

  林葳编著,你不可不知的2500条军事常识,内蒙古文化出版社,2011.07

  黄季墀,汪海主编,飞机结构设计与强度计算=Design and Analysis of Composite Structures with Applications to Aerospace Structures,上海交通大学出版社,2012.08

  (美)班度·N,帕玛迪著;商重阳,左英桃,夏露等译,飞机的性能、稳定性、动力学与控制 第2版,航空工业出版社,2013.12

  (美)吉姆·温切斯特著;张立功译,X战机档案·Ⅱ=THE AVIATION FACTFILE CONCEPT AIRCRAFT,中国市场出版社,2014.11

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