前掠翼有什麼好處?

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二戰末期,飛機飛行速度進一步增大,在臨界馬赫數飛行時,飛行速度稍微增大一點,飛機的阻力就會急劇增加,需要消耗發動機很大的功率才能實現超音速飛行,一些人開始在氣動設計上做文章。

1935年,德國著名空氣動力學家阿道夫·佈施曼在”第五屆沃爾塔高速國際飛行學術大會“上首次提出後掠翼思想以減小飛行阻力、提高飛行速度。但隨後幾年後掠翼並沒有受到重視,除了德國。在風洞試驗時,一些德國空氣動力學家突發奇想製作了前掠機翼模型,發現也能減小飛行阻力。1944年,德國研製了世界上第一種前掠翼飛機——Ju-287轟炸機,前掠角僅15°。

Ju-287前掠翼轟炸機

前掠翼和後掠翼是一對姐妹花,由於機翼傾斜一個角度,迎面氣流產生的動壓沿著翼展方向(展向)和垂直機翼方向(法向)分解,對比以前的平直翼(幾乎全是法向),法向的速度分量大大降低,因此延遲了激波阻力的產生。在減小飛行阻力上,前掠翼和後掠翼沒有區別。

後掠翼在翼尖附近,機翼下表面的高壓空氣可以橫向繞過翼尖到達上表面,造成升力損失,在低速和大迎角時,翼尖會首先失速,升力集中在機翼根部造成飛機升力中心前移,接著飛機會進一步增大迎角和減小速度,最終整個飛機都會失速。

前掠翼剛好相反,翼尖失速後,升力集中的機翼根部在飛機靠後的地方,使升力中心後移,飛機迎角將減小,有利於抑制飛機失速,這對維持飛機大迎角機動具有重要意義,尤其是戰鬥機。

蘇-47金雕(S-37)前掠翼戰鬥機

此外,由於前掠翼的展向氣流是流向機體最終沿著機身兩側向後流動(法向),機身的作用相當於大號的翼尖小翼,同樣可以減小誘導阻力和增加升力,相當於回收了在翼尖損失的升力。因此前掠翼飛機升阻比更好,在相同機翼面積時可以獲得更大升力。

蘇-47機動性相當優秀,低速性能也很好,很大程度上是得益於其前掠翼設計,很多看慣了後掠翼飛機的人第一印象總是認為前掠翼阻力會更大,其實剛好相反。

美國作為航空超級大國也驗證過前掠翼飛機的氣動性能,格魯門和NASA聯合研製的X-29就是其研究前掠翼的平臺。到目前為止,也沒有大規模批量生產任何一種前掠翼飛機,是因為前掠翼有其固有的、甚至是致命的缺陷,這裡主要討論前掠翼的好處,也就不多說了。

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前掠機翼技術是在第二次世界大戰時納粹德國的發展的,並首次在漢斯·沃克領導設計的Ju-287轟炸機上使用。前掠翼技術起源於元首時代的概念產物,那時候的元首想要製造一種能讓敵軍的戰機跟在後邊,並且靈活多變的戰機來應對蘇聯等國家的戰機。所以納粹的軍工就提出了前掠翼的概念,並在戰爭的末期研發出來第一款前掠翼戰機-JU-287。不過,研發出來已經沒有意義了,戰爭都已經結束了。不過這個技術卻被蘇聯學習下來,所以,在上個世紀末期,蘇聯研發出了比較先進的前掠翼戰機S37。據說S37的設計師喝伏特加喝多了,畫圖紙時把機翼畫反了,於是陰差陽錯地畫出了一代名機。

前掠翼技術有很多優勢。比如在結構方面,前掠翼結構可以保障機翼與機身之間更好地連接,並且合理地分配機翼和前起落翼所承受的壓力。而其它方法很難達到或者不可能達到,它大大提高了飛機在低速機動時的氣動性能。而且前掠翼的結構設計,還可使飛機的內容積增大,為設置內部武器艙創造了條件,同時也大大提高了飛機的隱身性能。前掠翼在氣動方面有著獨特的優勢,由於它的升阻比高,所以能保證機翼與機身之間更好的連接,有利於起降。並且,它的最大好處在於機動性,這種優勢在亞音速範圍內最為明顯。如果將前掠翼佈局與推力矢量控制系統綜合使用,飛機在空戰中更是如虎添翼。使用前掠翼結構可以提高飛機低速度飛行時的可控性,並能在所有飛行狀態下提高空氣動力效能,降低失速速度,保證飛機不易進入螺旋,從而使飛機的安全可靠性大大提高。

當然,該技術也不是十全十美的,由於前掠翼技術比較複雜,在技術方面,要求還是超高的,對材料的要求也非常高,氣動部件強度要求大,而且翼尖振顫的問題至今無法徹底解決。再加上由於震顫的問題一直都沒有解決,所以目前還沒有國家真正意義上投入軍隊使用,不過它畢竟代表了一種飛機的發展方向。

由於材料的制約,人類一直無法克服機翼前掠所帶來的“氣動彈性發散”問題,使得前掠翼的獨特優勢一直無法發揮,也因此,前掠翼一直無法得到廣泛的應用。直到20世紀70年代,複合材料機翼結構的應用,才使得前掠翼的發展柳暗花明。相信在不久的將來,隨著材料發展,慢慢突破材料的限制,前掠翼技術一定會越來越好。


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前掠翼飛機有哪些優勢\r\r前掠翼飛機是指飛機機翼前緣和後緣均向前掠的飛機。\r\r和後掠翼飛機相比,前掠翼飛機的風向和受力方向是從翼尖向翼根運動。翼根和機體結合部分受力加劇。在結構強度可以承受的前提下,前掠翼飛機在亞音速條件下具有升力更大,可控性更好,載重量更大,起降距離更短等優勢。\r\r但是,為了達到這些性能,滿足結構強度要求,就需要在結構重量上付出更多的代價,需要用強度更高的材料來滿足,否則,翼根部分受到的過大的力量衝擊會導致飛機解體。而同樣的材料如果用在後掠翼飛機上時,能使後者減輕重量,飛的更快更高。\r\r另外,前掠翼飛機的優勢主要體現在亞音速條件下,到超音速以後,飛機翼根和機體受到的阻力加劇,不適合超音速飛機。否則,又要對發動機推力和結構、材料等提出更高要求,同等的技術和成本用於後掠翼飛機,會得到更佳的性能。\r\r所以前掠翼自從出現以來,除了德國Ju-287轟炸機這種異類少量服役以外,到現在,前掠翼飛機更多的是做為驗證機,如美國的X-29、SWF/F-16和俄羅斯的S-37,為人類對飛機氣動佈局進行科學探索。或者在科幻影視和動漫中作為酷炫而存在。


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前掠翼的優點是機翼的效率要高於後掠翼,但是最大的問題是氣動彈性發散問題,德國美國和前蘇聯都做過研究,但是一直沒法解決,所以前掠翼一直不能投入使用。所謂氣動彈性發散是指在飛行過程中,氣流會順著機翼的表面流向翼根,這樣在翼尖就會存在一個扭轉力矩,這個力矩會導致機翼折斷,造成機毀人亡的事故。


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