前掠翼战机的优势在哪?

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前掠翼战机与后掠翼设计相反,是机翼前缘和后缘都向前伸展的飞机。与常规的后掠翼设计相比,前掠翼造型科幻,广泛出现在科幻作品中。那么前掠翼到底是怎么样的设计?又有什么特点呢?

(电影《绝密飞行》中的鹰爪战机)

前掠翼设计的确有很多好处存。首先它可以有效克服翼尖失速问题。飞机的机翼根部与翼尖之间存在压力差,这个压力差会促使机翼表面的空气向翼尖方向流动,导致翼尖附面层变厚,动能损失较多,容易产生气流分离。当迎角增大至一定程度时,就会造成翼尖失速。由于后掠翼飞机的翼尖在重心之后,所以一旦发生翼尖分离就很容易导致整个飞机的失速。相比之下,前掠翼飞机的翼尖在重心之前,那么在大迎角飞行时气流是从翼尖流向翼根,这就从根本上解决了翼尖失速的问题。在低速状态下,前掠翼具备更好的升阻比,而且在大迎角状态下的飞行性能和机动性也更加优异。

(后掠翼设计的翼尖在重心之后,容易发生翼尖分离导致飞机失速)

前掠翼设计与同机翼面积的后掠翼设计相比,具备更大的升阻比,这样飞机也就有了更大的升力,有效提升了飞机的载荷能力。不仅如此,前掠翼还可以提高飞机的起降能力和航程,起降距离与后掠翼相比最大可缩短近三分之一。前掠翼设计在失速状态下,飞行员依然可以保持对飞机的控制,这让战机的机动性能得到了大幅度提升。

(前掠翼的气动布局似的机翼具有更大的升力)

(前掠翼战机具备很好的短距起降能力)

前掠翼的设计优势主要集中在亚音速或低速阶段,因为一旦达到音速阶段,在大迎角飞行时前掠翼飞机就会出现无法预测的不可控状态点。因为不可控状态点无法预测,所以即便是先进的飞行控制系统也难以解决超音速状态下飞机的控制问题。除此之外,前掠翼飞机在超音速飞行时还存在结构发散的问题。在超音速状态下,前掠的机翼因伸出机身而产生激波,这会让机翼承受巨大的阻力,在强大的阻力作用下机翼很可能会被折断,严重的甚至会导致飞机解体。

(后掠翼(右图)的机翼完全可以处于激波之内,而前掠翼(如左)则会伸出激波外直面巨大的阻力)

(前掠翼在跨音速阶段很容易发生折断)

正因如此,虽然前掠翼与后掠翼飞机的研究几乎同时起步,但是后掠翼却一直是主流,不过人们对前掠翼飞机的研究也一直没有停过。二战德国的Ju287轰炸机、美国的X29A验证机以及俄罗斯的苏47技术验证机等都是一代经典机型。总之,前掠翼只在亚音速阶段具备优势,此时要比后掠翼飞机具备更好的机动性、抗失速能力、近距格斗和短距离起降的能力。

(美国X29A技术验证机

(今年莫斯科航展再度现身的苏47)


战情解码


现代战机的各种气动布局最早可以追溯到二战德国时期,虽然德国战败,但是其在航空领域的很多技术在美苏等国开始开花结果。比如在投降前夕的1944年8月世界上第一款采用前掠翼设计的JU-287战机成功首飞,这种在当时很不常见的前掠翼飞机虽然只是昙花一现,但是其代表的全新气动布局也让美苏两国看到了亮点,所以战后美国率先研制了X-29前掠翼技术验证机,苏联则在解体前成功实现了其前掠翼战机苏47的试飞活动,那么这种至今看来都觉得格格不入的前掠翼战机相比我们更为常见的后掠翼战机有什么优势存在呢?

首先从前掠翼的优点说起:

气动优势:我们更为常见的后掠翼战机虽然成为了主流,但是因为后掠翼机翼表面气流会向翼尖流动形成翼尖涡流,从而导致战机在飞行过程中机翼产生颤抖的同时导致机尾紊流影响飞机操纵性。而前掠翼由于机翼朝前则避免了形成翼尖涡流的问题,再加之前掠翼战机翼尖升阻比较高,而流向翼根的空气受机身阻挡后会流向机尾,因此用空气舵进行调整后反而会提高战机的机动性。其次是前掠翼整体气动阻力更低,所以有较高的飞行速度,像德国研制的JU-287轰炸机在首飞过程中最大飞行速度超过 了800千米/小时,这个飞行速度可比当时盟军所有战机的飞行速度高好几倍,战后苏联在JU-287基础上研制了一款代号JII-2号前掠翼技术验证机,其最大飞行速度更是达到了1100千米/小时,已经算是亚音速战机的极限飞行速度了,毕竟那个时候美国的X-1飞机还没有突破音障呢。

结构优势:前掠翼结构相比后掠翼而言其机翼和机身之间可以更好的连接,并且合理的分配了机身和机翼之间的受力状况,所以其大大提高了前掠翼战机在高速机动和低速机动时的气动性能,而且前掠翼战机的结构设计也让战机内部的空间更大,更有利于增加内部机载设备或者布置内部弹舱,而且也提高了战机的隐身性能。
机动优势:前掠翼战机在亚音速状态下有着非常好的气动性能,所以其在高机动状态下的机动优势更为明显,这就好比现在鸭式战机在机动优势上更胜一筹一个道理,同时如果能为前掠翼战机配备矢量推力发动机的话,其机动优势更为明显。起降优势:由于前掠翼战机的整机升阻比更大,所以不光显著的提升了整机的最大起飞重量,同时其机身尺寸可以有所缩减却不会影响整机的性能。而且前掠翼战机的天生优势也减少了战机的配平阻力,对于战机实现短距起降更有优势,对于舰载机而言这种气动布局更有优势。
但是前掠翼战机的缺点也很明显,前面说过前掠翼战机的翼尖升力较大,可以显著提升整机的气动升力,但是过强的翼尖升力反而会导致机翼变形形成翼尖上翘,这样当战机在高机动迎角状态下飞行时,过大的机翼升力会导致机翼产生严重的扭转变形,这种不稳定性也被称为气动弹性发散现象。再加之由于机翼是金属结构所以本身是有弹性存在的,这样在升力发生变化时,前掠翼反而会产生严重弹性形变,进而引发机翼反复震荡,继而在耦合作用下导致飞机失控甚至解体。要想解决这个问题最直接的方法就是增加机翼的结构强度,但是由此也会大度增加机翼的重量,降低战机的机动优势。
不过在现代复合材料发展的今天,解决前掠翼战机气动发散问题已经有了方法,这就是用复合材料制造的机翼可以在保持机翼强度的同时大幅度降低机翼的重量,所以从前掠翼战机本身就要比后掠翼战机有更多优势存在的情况下,不排除未来战机重新采用前掠翼结构的可能。


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