什麼是飛行器的面積率?


什麼是飛行器的面積率?

瀚海狼山(匈奴狼山)在前幾天的推文中談到過,由於747有一個特別隆起的頭部,造成747客機的巡航速度非常快,接近音速。很多戰鬥機,比如F16和F18,如果不開加力,都無法給其護航。這種比較突前的頭部不但可以讓747在巡航中速度很快,還有高巡航速度下非常平穩的好處。有些和747同級別的大型客機,由於整個機身沒有特別的隆起,而是整體的長圓筒狀,反倒在高亞音速巡航的狀態下會有一些自然的輕微振動。實際上747的這種設計,有一定的歪打正著的偶然因素。據說747本來也是像後來的380那樣,全機雙層客艙,因為計劃做了縮水,就只留下了前部的上層頭等艙,沒想到卻產生了非常好的氣動效果。其實747的這種頭部隆起,很像大天鵝的頭部。大天鵝被認為可以編隊飛到9000米以上高度。

大天鵝的頭部有個隆起,頸部細長,而身體和翅膀又很大。這種造型在高空飛行中是有天然減阻力的好處的。747和大天鵝飛行中的優點,其實都在於其符合飛行器的面積率。什麼是面積率?面積率是指飛行物在跨音速或超音速飛行時,零升力激波阻力,簡稱波阻與飛行器橫截面積之間的關係。通過改變機體截面積降低波阻,可提高飛機的飛行性能。面積率在跨音速和超音速飛機的設計中得到了廣泛的應用。跨音速面積率是美國人惠特科姆於1952年首次提出。他指出:飛行器的飛行速度接近1倍音速時,零升力波阻是飛行器橫截面積分佈的函數,而且近似等於具有相同橫截面積分佈的旋成體的零升力波阻。因此可根據最小波阻旋成體的截面積分佈來調整飛行器的橫截面積,以減小波阻。具體的應用是,


什麼是飛行器的面積率?

縮小機翼、尾翼與機身連接區的機身橫截面積,做成向內凹的形狀,俗稱“蜂腰”形機身。跨音速面積率的發現對飛機順利突破音障起到了重要作用。以上說法太專業,大部分人可能沒看懂。其實狼山還是前面舉的747和大天鵝的例子。也就是在空氣中飛行阻力最小的,不是一個前後直徑一樣,兩頭比較尖的圓筒。而最好是在這個圓筒的中後部,截面積有所變化。這樣的空氣阻力最小。在跨音速面積率的基礎上,美國空氣動力學家瓊斯於1953年提出了超音速面積率。

與跨音速面積率相比,決定超音速飛行的飛行器零升力波阻的截面積不是飛行器的橫截面積,而是在給定飛行馬赫數下通過機身縱軸上某點的後馬赫錐的切平面所切割的飛行器截面積。當Ma=1時,馬赫錐就退化為與縱軸相垂直的截平面,其切平面所切割的就是飛行器截面積。所以跨音速面積律是超音速面積律在Ma=1時,馬赫錐退化為與縱軸相垂直的截平面的特例,跨音速面積律可看作超音速面積律簡化後的面積律。


什麼是飛行器的面積率?

超音速面積率公式到跨隱身面積率的簡化。很像相對論公式在低速下簡化成牛頓公式。早年美蘇等航空強國設計的飛機,還是比較注重面積率的。不過隨著美國航空發動機技術的進步,美國飛機設計師似乎越來越迷信“力大磚飛”這個新定律。在F35這類新戰機上似乎已經很難看到蜂腰等符合面積率的設計,這造成F35被戲稱肥電,超音速能力相當低下。反倒是誰誰家的某10號和某20機,都還可以明顯看到符合面積率的設計,因此傳說某20可以飛到2.8馬赫也不是空穴來風。


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