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前掠翼战斗机其实由来已久,不光是前苏联或者是美国,中国在二战的时候就研制过前掠翼的驱研一型战斗机,这个可以说是中国自行研制成功的第一批战斗机。虽然驱研一只是中国对战斗机研发的一种探索,但是却在中国航空历史上具有重要的地位。
有意思的是,驱研一战斗机就是一种前掠翼战斗机,也证明了当时的中国航空设计师们就已经在尝试前掠翼这一新型气动布局。
二战后,美国和前苏联都开始对喷气式前掠翼战机进行研发。
美国研制了X29验证机,在F-5虎式战斗机的机体上采用了前掠翼和前鸭翼的布局,对这种新型气动布局进行了深入分析和试验。但是在后面的第三代、四代战斗机的研制中,却没有使用这种构型。
主要原因是前掠翼在结构方面存在较大的问题。因为沿结构曲线方向的弯曲变形可能会让外翼沿气流方向增大迎角,进一步增加机翼的弯曲变形。
这种现象如果是出现在螺旋桨的驱研一战斗机上,其实是不明显的,因为战斗机的速度不够。但是用在喷气式战斗机上,这种缺陷却是致命的!因为在足够大的速度下会形成恶性循环,直到机翼弯曲折断。这个现象称弯扭发散。
所以,在X29验证机的年代,材料科学并没有能够强大到足够支持新一代战斗机使用前掠翼,所以最终没有能够推广。
到了上世纪90年代,材料科学,特别是复合材料的广泛应用,为解决前掠翼的结构问题带来了福音。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,使机翼的弯曲变形引起附加的负扭转变形,抵消由升力引起的前掠翼正扭转。
这种解决办法催生了S-37验证机的诞生。这种俄罗斯黑色战机后来被赋予了苏-47“金雕”战斗机的名称。该机漂亮的前掠翼设计和前鸭翼、尾翼组成当时俄罗斯流行的三翼面机翼结构。
但是,虽然结构问题解决了,苏-47战斗机却又碰到了第五代战斗机这个坎。
第五代战斗机高度重视隐身性。巨大的前掠翼和鸭翼布局,使得苏-47战斗机几乎没有隐身能力,这就使得该机最终还是倒在了俄罗斯第五代战斗机选型的道路上。
我们最后看到的苏-57战斗机,仍然是一种翼身融合的常规布局飞机。前掠翼战机最终还是昙花一现。有意思的是,俄罗斯近年来研制过一款前掠翼教练机,但是还是无疾而终,没有装备部队。
虹摄库尔斯克
所谓的前掠翼飞机就是飞机机翼与机头之间的夹角小于90°的飞机,这种飞机跟我们常见的后掠翼飞机有明显的不同。德国早在1944年就进行了前掠翼飞机的相关试验,下图的Ju 287就是这架前掠翼飞机。
后来美国和前苏联都曾经研制过前掠翼战斗机。比如说美国的X-29【下图所示】和前苏联的Su-47金雕【再下一张图】。
这样的前掠翼飞机在气动和结构上说有诸多的好处。
首先是这种飞机在飞行的时候气流是从机翼的翼尖流到翼根位置【如下图所示】,这样的气体流动更加稳定,不容易发生飞机机翼的失速,所以这种飞机的机动性更好。
其次,前掠翼的飞机机翼产生的升力更加靠近飞机的重心位置,并且使机身重量的分布更加均匀,因此结构上更加合理。此外,而且机翼的翼根更加靠近飞机的尾部,所以可以做的很宽大,产生更大的升力【如下图所示】。
但是,前掠翼飞机始终没有解决机身强度上的问题,简单说就是前掠翼飞机在飞行的时候更加容易损坏。
有人可能不理解其中的原理,为什么受差不多大小的力,后掠翼飞机就没有什么问题,前掠翼飞机就不行呢?
其实这其中的原理也很简单。在飞机飞行的过程中,气流会对机翼产生向后的力,对于我们常见的后前掠翼飞机,这个力是拉力作用,如果我们把机翼想象成一根弹簧的话,弹簧会被拉长;而对于后掠翼飞机,这个力是压力作用,如果我们同样把机翼想象成一根弹簧的话,这个弹簧会被压缩。
然后你拿出来一张纸,平坦在桌子上,首先试着往两边拉,可以发现这张纸只要没有缺口,可以承受很大的力,甚至于你都没办法扯断这张纸;但是你反过来,把这张纸从两边往中间压,然后你就会发现只要很小的力纸就“鼓起来了”,根本就没有办法承受什么里。而这个现象在力学里面就叫“翘曲”,比如说下面这张动图说的就是翘曲——一根细长钢柱你想拉断是非常不容易的,但是如果你用压力压,那么这根钢柱很容易往外一弯就塌了下去,这个过程是不稳定的,你不知道什么时候会发生。
而前掠翼飞机就是这样,机翼这种比较薄的构件不太能够承受很大的压力,容易发生失稳造成结构破坏。
除此之外,这种结构在气动上有很不稳定的一面。
一方面,前掠翼飞机机翼产生的升力会使飞机仰头【后掠翼飞机则是使飞机低头】,而飞机仰头之后飞机机翼产生的升力就更大了,这样就形成了恶性循环,如果不加控制飞机会整个翻了过去。
另一方面,机翼在气流的扰动之下很容易发生“颤振”。颤振这个词是气动弹性学里面的词语,原理非常复杂,但是你只要拿出来一张纸对着这张纸的边缘猛吹气,就会听到这张纸发出尖锐的哨声——这就是颤振,而前掠翼飞机机翼的翼尖就很容易发生颤振,容易造成结构的损伤。
所以说,前掠翼飞机虽然在结构和气动上有一些好处,但是也有结构强度和气动稳定性上有致命的问题,最后美国和前苏联都放弃了研究。
SilentTurbine
机翼强度不够,对于战斗机来说做不了大机动动作