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后掠翼飞机

发布时间:2019-06-11 15:04 来源:未知 编辑:admin

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  后掠翼飞机是机翼前、后缘向后伸展(后掠)的飞机。早期的后掠翼飞机大多是军用飞机。后来,为了满足不同高度、速度飞行和起飞着陆对机翼后掠角的不同要求,又生产出变后掠翼飞机。

  后掠翼飞机出现于20世纪40-50年代。如美国的F-100超音速战斗机、B-52战略轰炸机;前苏联的“米格”-19战斗机、图-16远程轰炸机等军用飞机均属后掠翼飞机。

  机翼前、后缘向后伸展(后掠)的飞机。后掠角的大小表示机翼后掠的程度。通常所指后掠翼飞机的机翼后掠角(x)多在25°以上,后掠角

  较小的机翼仍称平直机翼。当飞机飞行速度接近声速时,机翼上表面局部气流速度将超过声速,这将出现激波,引起激波后面的气流分离,使飞机阻力急剧增加。对于后掠机翼,垂直机翼前缘的气流速度分量(vcosx)低于飞行速度v,从而可以在v已达到或超过声速时,vcosx还未达到声速。后掠翼还能减弱激波强度,降低波阻。现代高亚声速旅客机大多是后掠翼飞机。

  后掠角超过25度的机翼才能称为后掠翼,不超过25度的仍为平直翼。第一代后掠翼飞机米格-15和F-86的后掠角均为35度。后掠翼之所以有利于飞机实现高速飞行,是因为它具有延缓翼面局部音速气流的产生,减小飞行阻力的作用。

  拿完全平直翼和后掠翼来进行比较,当气流以速度v流过平直机翼时,速度可与机翼前缘成90度,相对机翼前缘的垂直气流速度即为来流速度口,没有折扣;当气流以同样的速度v吹到后掠翼时,由f:机翼前缘有后掠角,按照速度的分解原则,可将来流速度分为垂直j二前缘和平行于前缘的两个分量,它们都小于来流速度u。若以速度u飞行的平直翼飞机翼面上正好产生了局部超音速气流和激波阻力,那么,对于后掠翼飞机,因为垂直于前缘的速度比来流速度勘小,就不会产生局部超音速气流和激波阻力。这就是为什么后掠翼具有延缓局部超音速气流出现和激波阻力产生的原因。至于来流速度u的另一个分量(与机翼前缘平行的速度分量),由于它与机翼前缘相平行,而沿翼展方向的机翼截面没有变化或变化不大.因此既不产生升力,也不会引起激波阻力的产生,米格-15和F-86喷气式飞机,因为采用了后掠机翼,使它们的飞行速度均达到了1050千米/小时左右。

  后掠翼的翼根弦长,翼尖弦短。从总体上看,其平面形状仍属于梯形翼的变形,但由于机翼后掠引起机翼根部结构的复杂化,机翼内除了有一般机翼都有的展向翼梁外,还要在翼根增设横向和纵向梁,以组成强有力的承力和传力系统。后掠翼的另一个缺点是沿展向流动的气流分量(与前缘平行的来流速度分量)会造成翼尖气流分离,致使翼尖升力下降,造成外侧操纵面的效率变坏,甚至产生反向操纵。为了防止和减轻这种现象,一般以后掠翼上安装翼刀或在机翼前缘采用“锯齿”和“缺口”设计。

  飞行阻力急剧增加。后掠翼飞机由于与机翼前缘垂直的气流速度分量低于飞行速度,与平直机翼飞机相比,只有在更高的飞行速度下才会出现激波,从而推迟了激波的产生。即使产生激波,也能减弱激波强度,减小飞行阻力。但这种机翼的扭转刚度差,会使副翼的操纵效率降低。其次,由于有指向翼尖的展向流动,大迎角飞行时气流首先从靠近翼尖部分分离,使飞机自动上仰和滚转,严重影响飞行安全。

  飞行速度到达高亚声速和跨声速阶段,翼表面产生激波。为了延迟激波的发生或减弱激波强度以减小波阻,出现了后掠翼。后掠翼可以看成由平直翼向后偏转一个角度所形成。后掠翼的受力特点和直接与机身(弹身)连接的根部结构有关,在根部区域以外,其构造和受力实际上与平直翼没有太大区别。

  ①直观地看。在翼面积、展弦比、梯形比、顺气流剖面的弦长等参数均保持相同的情况下,后掠翼结构的实际长度比平直翼长,而垂直于其构造轴线的剖面的弦长减小。此外.高速飞行器为了减小波阻,往往采取薄翼型,所以后掠翼比相应的平直翼将更细更长更薄,致使它的弯曲刚度、扭转刚度都比平直翼差。后掠角越大,这一问题越突出。为了达到同样的刚度要求,翼面结构质量一·般将增大。

  ②后掠翼根部由于纵向元件长度不同,刚度不同。因而前缘纵向元件受力减小,后缘纵向元件受力增大。这种载荷向后缘集中的现象叫做“后掠效应”。

  作战飞机采用后掠翼、可变后掠翼等新型机翼,提高了飞机的飞行速度,缩短了起降距离。飞机是靠机翼所产生的升力而飞上天的,所以机翼的形状和大小直接关系到

  它的飞行速度及起降距离。早期的飞机多为十字架型,有单翼机,也有双翼机,到二次大战时多为单翼机。战后以来,开始研制后掠机翼,1948年,美国在F-86战斗机上采用了后掠翼,前苏联也于不久研制出类似的“米格”-15战斗机。在后掠翼的基础上,又研制了梯形和三角形机翼,如美国的SR-71侦察机就是采用的三角形机翼,其飞行马赫数为3.5,飞行高度可达27000米。采用后掠翼虽能提高飞行速度,但产生的升力较小,在起飞和着陆时需要有较长的距离,一般战斗机起飞滑跑要1000米以上,重型轰炸机则要2000米以上,这种大型机场跑道则长达3~5公里,在战时跑道被破坏的情况下就很难起飞。为此,又研制了可变后掠翼,在起飞、着陆和巡航时,机翼在平直位置;要飞大速度时,机翼便可后斜。许多作战飞机都采用变后掠翼,就是重达100吨以上的战略轰炸机也采用变后掠翼。在短距起飞技术方面,已达500米左右,今后则继续向短距(200米左右)起飞、垂直降落方向发展。

  后掠翼还能减弱激波强度,降低波阻。现代高亚声速旅客机大多是后掠翼飞机。

  后掠翼虽然空阻小,但存在机翼前缘升力不足的缺点,而且后掠角越大,升力系数越低,使得飞机在起飞,着陆,空速限制等指标上都不理想。

  后掠翼除去前缘升力小的缺点外,还有一个致命的缺陷,叫做翼尖发散或翼尖失速,就是说飞机机翼的表面受空气粘性影响形成的一薄层气流(术语称:附面层)会从翼根向翼尖流动,在大迎角机动时,翼尖的附面层会因流动过于激烈而与机翼分离,使得飞机失去大部分升力。

  谈到超音速飞行,我们一般都会想到喷气发动机的发明者弗朗克·惠特尔爵士和德国发明家奥海因,这无疑是

  对的,因为超音速飞行的两大关键技术之一就是喷气式发动机的产生。而对于另一项技术,有些人可能就不是十分了解了,这就是后掠翼技术的出现。有关喷气发动机的记述已经很多了,所以在这里我想把后掠翼技术的产生及影响向大家做一个简要的介绍。

  自从飞行器诞生以来,人类变进入了一个更为广阔的活动领域,交流变得更加顺畅了。尤其是在第一次世界大战中,飞机的作用使人们眼界大开。所以在一战结束后的一段时间里,飞机的设计水平突飞猛进,涌现出了很多优秀的飞行员和非常具有天赋的设计师,针对飞机的各项研究也受到极大的重视。在这些人当中,有一位叫布兹曼的德国人,那时他还在德国的哥根廷大学,在德国著名的力学家、德国近代航空流体力学的奠基人普朗特教授指导下从事研究工作。也正是在普朗特教授身边的这段日子里,为布兹曼后来在超音速空气动力学领域的权威地位奠定了坚实的基础,当然,这是后话了。真正使布兹曼一鸣惊人的是一次在意大利举办的学术会议,这是一个由罗马的皇家科学院和沃尔它基金会举办的以“高速航空”为主题的学术会议,接到邀请一般都是国际航空界的知名人士,在被邀请的德国人当中,就有普朗特教授和布兹曼,当然,这主要还是由于普朗特教授的缘故,因为当时的布兹曼在国际航空领域还没有什么知名度可言,这次会议无疑为他提供了一次难得的机遇,而事实上,他也确实抓住了这个机遇。由于他还不为国际航空界所知晓,这无形中也给他带来了压力,因为选择什么样的课题及对该课题的研究水平才可以满足那些参加会议的大师级人物的要求,布兹曼心里一点底也没有。后来经过联系,他决定和一位瑞士学者合作,研究一个

  在当时很有挑战性的课题-----------超音速飞行时的升力。之所以选择这个题目,除了要保证研究成果的先进性之外,还有另外的考虑,因为在当时的德国,法西斯正在为战争做各种准备,很多与军事有关的科研项目都被列入了机密,与该机密有关的人员均被禁止出国。而超音速飞行在当时还被看成是不可想象的事情,自然也就没有军事价值了,所以可以很容易避开当局的纠缠。课题选定之后,布兹曼仍然担心自己的研究结果不能满足那些大使们的需要,因为自己毕竟太年轻了。所以他夜以继日地工作、研究,正是在这样的背景之下,他提出了后掠翼的设想。我们都知道,直翼飞机在接近音速的时候,由于流经上翼面的气流速度比飞机飞行的速度要快,因此已经超过了音速,这时气流本身就会发生重大变化,对飞机产生阻力,也就是波阻,对飞机进一步提高飞行速度来说,这是一个难以逾越的障碍。而后掠翼则巧妙地把本来垂直于飞机飞行方向的气流进行了分解,因为机翼是倾斜的,这样作用于机翼垂直方向的气流速度肯定要比直翼飞机要小,从而可以推迟波阻的产生,为进一步提高飞机的飞行速度创造了条件。这一结果使他兴奋不已,为了证实这个结论在正确性,布兹曼又进行了大量的实验,结果令人满意。

  沃尔它会议如期举行了,当布兹曼宣读了自己的研究论文后,全场哗然,与会的专家和权威们无一不被他的论文所折服,布兹曼从此跻身于世界著名空气动力学家的行列。在后来,世界著名空气动力学家、美国航空事业的创始人之一的卡门在一篇文章中写到这次会议是时说“在这次会议上,最精彩的论文出自一位年轻的德国人之手,他就是布兹曼博士”。由于当时还没有合适的发动机,因此这项研究在其他国家并没有继续开展下去,仅有德国开展了这项研究工作。因为德国人认识到了这项研究的军事用途,军方将这项课题也列入了其秘密研究计划当中,从此,布兹曼在航空界的公开场合消失了,德国军方专门为他提供了一个既便于保密,环境又非常舒适的地方-----不伦瑞克森林。整个二战期间,盟军一直也没注意到这个机构的存在,因此,布兹曼才可以进行潜心的研究,得出了大量的关于后掠翼研究的风洞数据。实验证明,后掠翼不仅可以推迟波阻的到来,它还可以提高飞行器在高速飞行时的稳定性。德国的梅塞施米特公司立即将这项成果应用到战斗机上面,ME-262就是这项技术具体应用的第一个结果,这种飞机刚一出现,立即引起了盟军的极大关注,因为它的飞行速度在当时来看,简直就是不可思议的事情,只是由于飞行员对该机的性能还不熟悉,ME-262在案战场上才未产生重大的影响。二战结束以后,美国人首先来到了不伦瑞克研究所,其中就有卡门博士,在看到这个研究所的研究成果后,他感到非常震惊,并且意识到布兹曼这个科学家的重大价值,因此后来布兹曼被美国当时的兰利研究中心工作。美国人对他感兴趣,当时的苏联人也同样感兴趣,他们也在德国搜集了大量的研究数据。结果,在朝鲜战场上,出现了两种不同国家生产的后掠翼飞机之间的战斗。

  今天,当我们乘坐着舒适的喷气客机旅行的时候,是否想到过那些航空界前辈们呢?我们不应该忘记他们。他们孜孜不倦的追求、科学严谨的工作作风永远是我们取之不尽的宝贵财富。

  格鲁曼公司生产的F9F“美洲狮”海军战斗机从F9F“黑豹”战斗机系列发展演变而来,其原型机F9F-6号飞机于1951年9月20日首飞。F9F“美洲狮”海军战斗机与前辈战斗机的主要区别在于拥有后掠翼和一副后掠水平尾翼,因此成为第一款进人部队服役的后掠翼舰载机。此外,为了便于快速生产,该机型还进行了较小幅度的改进。事实上, “美洲狮”在距离其原型机首次试飞仅仅14个月后就开始进入美军部队服役,其中,最早一批安装了普拉特·惠特尼公司J48型发动机的F9F-6型战斗机(后来更名为F-9F型)在1951年9月编人大西洋舰队第32战斗机中队。此后不久,太平洋舰队也开始接收该型。

  米格-15战斗机,是苏联第二次世界大战后设计的一种高亚音速单座喷气式战斗机,也是苏联第一代实用型喷气式战斗机。该机由米高扬·格列维奇飞机设计局设计,北约绰号“柴捆”(Fagot)。

  该机于1946年开始设计,1947年6月首飞,1948年3月投人批量生产,年底开始交付苏联空军,1954年停产,共生产16500架,是苏联制造数量最多的喷气式飞机。

  《当代军官百科辞典》编辑委员会,当代军官百科辞典,解放军出版社,1997年07月第2版

  王冈 曹振国主编,中小学生航空航天知识 飞行的科学,北京科学技术出版社,1998年08月第1版

  (英)克里斯·查恩特(Chris Chant)著;张国良译,战舰与舰载武器 航空母舰·舰载机·两栖攻击舰·防空火炮,中国市场出版社,2014.12

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