漲姿勢！探秘機翼形狀與飛行速度的關係
原標題：漲姿勢！探秘機翼形狀與飛行速度的關係
關注小編號的人都知道關於飛機機翼小編曾帶給大家一篇《奇形怪狀的機翼》，那麼機翼的造型能這麼多變那對飛行會不會有影響呢？今天就來聊聊機翼形狀與飛行速度的關係。
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、大小關係到飛機的速度。隨著氣動理論的完善、製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，很容易製作。但由於其翼端寬，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，但其製作工藝卻十分複雜，很難製作。後來，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，製作也比較方便，儘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、日本的零式戰鬥機等都是梯形平直機翼。
1945年，英國研製了兩架飛機，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米高度俯衝到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後移，飛機會自動俯衝。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，所以不可能把俯衝狀態中的飛機拉起來平飛。大角度的俯衝，使飛機增速更快，最後，超出它本身能承受的強度，所以飛機就散架解體了。
機翼上產生激波後，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，把飛機的機翼做成後掠的形式，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衝的不穩定現象。1948年，美國在F－86戰鬥機上應用後掠機翼。原蘇聯在上個世紀40年代末期，也研製出帶後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後掠機翼的。
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，機翼的後掠角越來越大。而為了保證飛機的安全，又要加重鋼樑，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。怎麼辦？人們把後掠機翼的前緣和平直機翼的後緣結合起來，設計製作出了三角機翼。從俯視角度看，三角機翼飛機的兩隻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，其大部分用鈦合金製成，最大飛行速度相當於音速的3.5倍，飛行高度可達2.4萬米。法國「幻影」系列飛機也採用了三角機翼。20世紀60年代三角機翼又風靡一時。
飛機機翼採取向後掠的形式後，又出現了新問題，它比不向後斜的普通機翼，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，才能使升力等於重量，然後飛機才能離去，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於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，後掠翼飛機比普通機翼飛機耗費油料多，航程也會受影響。
於是，有人研究出一個方案，就是使機翼能改變後掠角。起飛、著陸和巡航時，機翼在平直位置；要飛大速度時，機翼向後斜。要想讓一架普通飛機改變它的機翼後掠角，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，當機翼向後轉，加大後掠角時，升力作用點向後移，飛機會低頭俯衝，不能飛行。經過多次試驗，1964年，世界上第一架變後掠翼飛機F－111終於研製成功。這種飛機在起飛、著陸和低速飛行時，其兩翼盡量伸直，後掠角只有16度，從而具備了平直機翼升力大的特點；而在高速飛行時，它的兩翼又盡量後掠，後掠角可達72.5度，變得像三角機翼一樣，因此能夠輕易突破「音障」。其後蘇聯也相繼推出了變後掠翼飛機米格－23、蘇－20和蘇－24等。
要改變機翼的後掠角，其實是很難的。機翼前後轉動，要用很大的軸承和堅固的結構，這樣，變後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後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後掠角大於70度的邊條。邊條機翼既具有變後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採用了邊條機翼。邊條機翼的應用使許多重型戰鬥機的起飛、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也採用了邊條機翼。
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戰鬥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，如變後掠機翼因結構複雜、重量增大，20世紀90年代新研製的飛機幾乎都不採用這種機翼了；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。就像在這個互聯網加的時代，有個特別出色的低空飛行平台「環球低空」APP。都已經伴隨飛友很久了，而你是其中一個嗎？
來源：私人飛機網微信公眾號
免責聲明：本頭條號所載內容為本頭條號原創或網路轉載，轉載內容版權歸原作者所有。如涉及作品內容、版權或其他問題，請跟我們聯繫！轉載內容為作者個人觀點，並不代表本頭條號贊同其觀點和對其真實性負責。本頭條號擁有對此聲明的最終解釋權。
TAG:環球低空 |