04.19 這種飛機違背常理:機翼竟然不對稱,超音速飛行卻極佳

這種飛機違背常理:機翼竟然不對稱,超音速飛行卻極佳

在正常飛機上,無論是前掠翼還是後掠翼,還是可變翼,都是左右對稱的。兩側機翼不僅外形對稱,前掠或後掠角度也對稱,否則將會因升力不平衡而無法維持飛行。

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可偏偏有種飛機不走尋常路,採用不對稱的機翼設計,給強迫症患者們帶來深深的困擾。這種飛機就是斜掠翼。

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斜掠翼飛機概念是20世紀40年代由美國航空航天局的瓊斯博士首先提出的,和後掠翼、前掠翼相比,斜翼沿機身軸線的總橫截面積分佈比較均勻,有利於滿足跨聲速面積律,降低跨聲速阻力。

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飛機在低速飛行時的氣動阻力主要來自誘導阻力,它和翼長的平方成反比。斜掠翼和傳統後掠翼相比,可以發現在相同的翼展和後掠角度下,斜掠翼的升力分佈在2倍翼長上,因此其誘導阻力只有後掠翼的四分之一。斜掠翼在超音速飛行時還有個更大的優點 :超音速飛行的氣動阻力由波阻(wave drag)決定,它和翼長的4次方成反比,在相同翼展和後掠角度下,斜掠翼的翼長是後掠翼的兩倍,因此波阻大幅降到只有後掠翼的1/16。

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斜掠翼機的左右兩半機翼一體成型,繞著機身上的轉軸轉動,在原理上與可變後掠翼飛機相似:飛機在起飛、著陸和低速飛行時,機翼與機身軸線成直角,相當於平直機翼,這時翼展最大,升力係數大,起飛、著陸和低速飛行性能都很好。

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飛機以超音速飛行時,機翼繞轉軸轉動到某個角度,這時一側機翼前掠,另一側機翼後掠,翼展縮短,推遲激波的發生。

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第一個斜掠翼設計是德國人沃格特在1942年提出的布洛姆&福斯P.202。P.202是單發飛機,機身頂部的機翼在飛行中會改變斜掠角度,以推遲機翼隨速度、攻角增大,因氣動負載增加而加大變形的現象。

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戰後,根據瓊斯博士發表的論文,英國漢得利飛機公司開始著手研究飛行速度2馬赫的斜掠翼民航機。這是一種能乘坐150人的民航機,由於斜掠翼飛機氣動阻力小,耗油率較低,可省下不少的油量,因此在相同的起飛重量下,可搭載的旅客人數估計可增加一半甚至1倍。

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但是直到上世紀70年代中期,NASA才開始研究斜掠翼的飛行特性,並製造了一架小型遙控飛機,探索較大型斜掠翼飛機翱翔的可行性。

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該機飛機安裝一臺馬克洛4缸、氣冷式、90匹馬力往復式發動機,安裝在機翼中心位置。飛機最高設計速度146節,機鼻前方有電視攝影機,以便遙控飛行時能看清飛機前方的景物。

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接下來NASA製造了AD-1有人駕駛驗證機,運用當時先進的複合材料結構氣彈性剪裁設計。AD-1採低成本、低科技、低空速設計,以波音Model 5-7飛機為藍本。

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1979年12月21日,NASA試飛員馬克馬帝架是AD-1完成為時僅5分鐘的首飛,當天稍後的第2次飛行則維持了45分鐘,高度3千 米,速度140節。

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麥克馬帝發現飛機的操控品質與模擬器很相近,但飛機的非對稱外形會產生罕見的配平調整需求、非對稱失速、慣性耦合。譬如在機翼斜掠60度時,AD-1必須把飛機壓10度的坡度,才不致於測滑。

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AD-1證實有人飛行斜掠翼飛機概念的可行性,也發現飛機的俯仰力矩會和副翼的偏轉角度產生交互耦合,當斜掠角度超過40度時,這種耦合所產生的氣彈性效應會使飛行質量非常惡劣。如果飛機材料使用更先進的碳纖維複合材料,可能會降低此氣彈性效應。

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AD-1項目結束後,NASA開始研究把F-8十字軍戰鬥機改裝為斜掠翼研究機,評估超音速時的空氣壓縮性效應,並分析飛機在跨音速時的飛行性能,但是最後因為經費問題而終止。

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美國國防先進研究項目局曾於本世紀初試圖進行斜掠翼的實際試飛,研製一種擁有軍事目的的飛機,但因不明原因而終止。在可預見的未來裡,斜掠翼飛機恐怕難以問世。


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