04.19 这种飞机违背常理:机翼竟然不对称,超音速飞行却极佳

这种飞机违背常理:机翼竟然不对称,超音速飞行却极佳

在正常飞机上,无论是前掠翼还是后掠翼,还是可变翼,都是左右对称的。两侧机翼不仅外形对称,前掠或后掠角度也对称,否则将会因升力不平衡而无法维持飞行。

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可偏偏有种飞机不走寻常路,采用不对称的机翼设计,给强迫症患者们带来深深的困扰。这种飞机就是斜掠翼。

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斜掠翼飞机概念是20世纪40年代由美国航空航天局的琼斯博士首先提出的,和后掠翼、前掠翼相比,斜翼沿机身轴线的总横截面积分布比较均匀,有利于满足跨声速面积律,降低跨声速阻力。

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飞机在低速飞行时的气动阻力主要来自诱导阻力,它和翼长的平方成反比。斜掠翼和传统后掠翼相比,可以发现在相同的翼展和后掠角度下,斜掠翼的升力分布在2倍翼长上,因此其诱导阻力只有后掠翼的四分之一。斜掠翼在超音速飞行时还有个更大的优点 :超音速飞行的气动阻力由波阻(wave drag)决定,它和翼长的4次方成反比,在相同翼展和后掠角度下,斜掠翼的翼长是后掠翼的两倍,因此波阻大幅降到只有后掠翼的1/16。

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斜掠翼机的左右两半机翼一体成型,绕着机身上的转轴转动,在原理上与可变后掠翼飞机相似:飞机在起飞、着陆和低速飞行时,机翼与机身轴线成直角,相当于平直机翼,这时翼展最大,升力系数大,起飞、着陆和低速飞行性能都很好。

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飞机以超音速飞行时,机翼绕转轴转动到某个角度,这时一侧机翼前掠,另一侧机翼后掠,翼展缩短,推迟激波的发生。

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第一个斜掠翼设计是德国人沃格特在1942年提出的布洛姆&福斯P.202。P.202是单发飞机,机身顶部的机翼在飞行中会改变斜掠角度,以推迟机翼随速度、攻角增大,因气动负载增加而加大变形的现象。

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战后,根据琼斯博士发表的论文,英国汉得利飞机公司开始着手研究飞行速度2马赫的斜掠翼民航机。这是一种能乘坐150人的民航机,由于斜掠翼飞机气动阻力小,耗油率较低,可省下不少的油量,因此在相同的起飞重量下,可搭载的旅客人数估计可增加一半甚至1倍。

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但是直到上世纪70年代中期,NASA才开始研究斜掠翼的飞行特性,并制造了一架小型遥控飞机,探索较大型斜掠翼飞机翱翔的可行性。

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该机飞机安装一台马克洛4缸、气冷式、90匹马力往复式发动机,安装在机翼中心位置。飞机最高设计速度146节,机鼻前方有电视摄影机,以便遥控飞行时能看清飞机前方的景物。

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接下来NASA制造了AD-1有人驾驶验证机,运用当时先进的复合材料结构气弹性剪裁设计。AD-1采低成本、低科技、低空速设计,以波音Model 5-7飞机为蓝本。

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1979年12月21日,NASA试飞员马克马帝架是AD-1完成为时仅5分钟的首飞,当天稍后的第2次飞行则维持了45分钟,高度3千 米,速度140节。

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麦克马帝发现飞机的操控品质与模拟器很相近,但飞机的非对称外形会产生罕见的配平调整需求、非对称失速、惯性耦合。譬如在机翼斜掠60度时,AD-1必须把飞机压10度的坡度,才不致于测滑。

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AD-1证实有人飞行斜掠翼飞机概念的可行性,也发现飞机的俯仰力矩会和副翼的偏转角度产生交互耦合,当斜掠角度超过40度时,这种耦合所产生的气弹性效应会使飞行质量非常恶劣。如果飞机材料使用更先进的碳纤维复合材料,可能会降低此气弹性效应。

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AD-1项目结束后,NASA开始研究把F-8十字军战斗机改装为斜掠翼研究机,评估超音速时的空气压缩性效应,并分析飞机在跨音速时的飞行性能,但是最后因为经费问题而终止。

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美国国防先进研究项目局曾于本世纪初试图进行斜掠翼的实际试飞,研制一种拥有军事目的的飞机,但因不明原因而终止。在可预见的未来里,斜掠翼飞机恐怕难以问世。


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