知识解答:飞机机翼形状与飞行速度的关系

当前位置:首页 > 航空知识 > 飞行知识 发布时间:2019-01-01编辑:来源:www.feijijiage.com阅读数: 手机阅读

  飞机能上天,就是机翼产生升力的结果。但是飞机上天后,机翼也产生阻力,影响飞机前进,所以机翼的形状、大小关系到飞机的速度。随着气动理论的完善、制造工艺的提高以及新材料的不断应用,机翼的性能经过多次改进,已今非昔比。

  早期的飞机机翼都是平直的。最初是矩形机翼,很容易制作。但由于其翼端宽,会给飞机带来阻力,严重地影响了飞机的飞行速度。为此,人们曾设计了一种椭圆形机翼。这种新机翼的翼端虽然窄了,但其制作工艺却十分复杂,很难制作。后来,人们又设计出了梯形机翼。梯形机翼兼具矩形和椭圆形机翼之长,制作也比较方便,尽管仍有一个小小的翼尖,但阻力还不算大。因此,20世纪30年代至40年代末,梯形平直机翼几乎一统天下。二战中出名的飞机如美国的P-51、苏联的杜-2、日本的零式战斗机等都是梯形平直机翼。

  1945年,英国研制了两架飞机,安装了当时最先进的喷气发动机,飞机平飞的最大速度达到974千米/小时。若从12000米高度俯冲到9000米高度时,速度甚至达到1120千米/小时,接近音速。但机翼上出现了“激波”,使机翼表面的空气压力发生变化,空气作用力的总作用点后移,飞机会自动俯冲。当时飞机的操纵系统和舵面的大小等,都没有考虑这种情况,所以不可能把俯冲状态中的飞机拉起来平飞。大角度的俯冲,使飞机增速更快,最后,超出它本身能承受的强度,所以飞机就散架解体了。

  机翼上产生激波后,飞机的阻力会急剧增加,比低空飞行大十倍甚至几十倍,所以即使用喷气式发动机,也很难使飞机超音速。当时把这种困难叫做“音障”。德国人发现,把飞机的机翼做成后掠的形式,像燕子的翅膀,可以延迟“激波”的产生,减少阻力,也可以缓和飞机接近音速时自动俯冲的不稳定现象。1948年,美国在F-86战斗机上应用后掠机翼。原苏联在上个世纪40年代末期,也研制出带后掠机翼的喷气式歼击机米格-15。进入20世纪50年代,世界上超音速飞机的翅膀几乎全都是后掠机翼的。

  20世纪五六十年代,人们设计飞机的指导思想是越高越快就越好。为了达此目的,机翼的后掠角越来越大。而为了保证飞机的安全,又要加重钢梁,加厚蒙皮。但飞机重量增加了,又直接影响飞机的速度和高度。怎么办?人们把后掠机翼的前缘和平直机翼的后缘结合起来,设计制作出了三角机翼。从俯视角度看,三角机翼飞机的两只机翼连接起来是一个等腰三角形,刚度明显增强。1963年8月试飞的美国SR-71飞机就是三角机翼,其大部分用钛合金制成,最大飞行速度相当于音速的3.5倍,飞行高度可达2.4万米。法国“幻影”系列飞机也采用了三角机翼。20世纪60年代三角机翼又风靡一时。

  飞机机翼采取向后掠的形式后,又出现了新问题,它比不向后斜的普通机翼,在同样的条件下产生的升力小。飞机起飞时,要滑跑到很大速度,才能使升力等于重量,然后飞机才能离去,跑道要很长,着陆的情况也一样。因此,现代歼击机起飞跑道多在1000米以上,重型轰炸机起飞跑道大于2000米。所以现代大型机场跑道的长度都要超过3000米,战时很容易被敌人破坏。在空中巡航时,后掠翼飞机比普通机翼飞机耗费油料多,航程也会受影响。

  于是,有人研究出一个方案,就是使机翼能改变后掠角。起飞、着陆和巡航时,机翼在平直位置;要飞大速度时,机翼向后斜。要想让一架普通飞机改变它的机翼后掠角,首先要解决飞机的平衡问题。原来机翼在平直位置平衡好的飞机,当机翼向后转,加大后掠角时,升力作用点向后移,飞机会低头俯冲,不能飞行。经过多次试验,1964年,世界上第一架变后掠翼飞机F-111终于研制成功。这种飞机在起飞、着陆和低速飞行时,其两翼尽量伸直,后掠角只有16度,从而具备了平直机翼升力大的特点;而在高速飞行时,它的两翼又尽量后掠,后掠角可达72.5度,变得像三角机翼一样,因此能够轻易突破“音障”。其后苏联也相继推出了变后掠翼飞机米格-23、苏-20和苏-24等。

  要改变机翼的后掠角,其实是很难的。机翼前后转动,要用很大的轴承和坚固的结构,这样,变后掠翼飞机的重量要增大。不过,随着气动力学的发展,人们发现边条机翼可以为其后方的基本机翼提供升力。所谓边条机翼就是在基本机翼根部前缘加装一条后掠角大于70度的边条。边条机翼既具有变后掠翼高低速兼优的性能,又具有重量轻、构造简单的特点。难怪今天许多新式飞机都采用了边条机翼。边条机翼的应用使许多重型战斗机的起飞、着陆性能大幅度提高。如苏-27的起飞滑跑距离仅400米,着陆滑跑距离也只有550米,对机场的依赖明显减小,甚至可以在土跑道上起降。1974年2月试飞的F-16也采用了边条机翼。

  在发现边条机翼优越性的同时,人们也认识到了翼身融合的优点。机翼和机身融合为一体,可大幅度地降低阻力,提高整机的升力,减轻结构重量。飞机还可由此得到更大的机内空间,使其载油量增加,从而具有更长的航时和航程。1989年7月首飞的美国B-2战斗机一经亮相便以其独特的外形引起了世人的注意。它在海湾战争和科索沃战争中战绩不凡,备受军界的青睐。

  在机翼形状的演变程中,有的机翼类型被淘汰了,如变后掠机翼因结构复杂、重量增大,20世纪90年代新研制的飞机几乎都不采用这种机翼了;更多的机翼种类则互相融合,取长补短,变幻出更多的形式。100多年来,飞机翅膀的变化展现了人类无尽的创造力。随着科学技术的飞速发展,不久的将来,一定还会出现许多现在还无法想像的新式飞机和新形机翼。

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