08.21 飛機結構漫談(九)

F-86,米格-15——第一代戰鬥機的典型代表

早期的飛機一般都採用平直翼,但隨著飛行速度的提高,飛機會在高速俯衝時因解體而墜毀。後來,科學家們發現飛行速度接近音速時,飛機會遇到極大的激波阻力。這時,飛機要麼速度難以再提高,要麼承受不住巨大的衝擊力而粉身碎骨。為了克服和減小激波阻力,人們一改平直的機翼形狀,提出了後掠翼設計方案。後掠翼可以推遲激波的到來,減弱阻力強度。

飛機的飛行速度接近音速時,進一步提高速度所遇到的障礙就是音障。空氣是可以壓縮的。飛機在飛行過程中,不斷對空氣產生新的擾動,這些擾動引起的壓強變化會在飛機前方積累,從而導致空氣密度發生變化。密度增加的幅度在不同的飛行速度下是不同的。在0.3倍音速以下,它的增加約在5%左右,因此可忽略不計。當速度進一步提高以至於接近音速時,由於飛機對前方空氣擾動導致的壓強變化會層層積累,於是在飛機前面,空氣密度會急劇增大。而當飛機以音速飛行時,由於擾動的傳播與飛機運動速度相同,這樣每一個擾動相對飛機來說就不再向前傳播,而是依次疊加在飛機頭部,造成擾動波的集中,形成一個波面。這時飛機與前面的空氣驟然相遇,引起劇烈的碰撞,空氣遭到強烈的壓縮,密度急劇增大,彷彿一面緻密的空氣牆壁擋在飛機的面前。這就是所謂的激波。空氣在通過激波時,會產生一種特別的阻力,即激波阻力。飛行速度在音速附近時,激波阻力最大,它可能消耗發動機全部功率的3/4,這時再提高飛行速度就十分困難。當飛機超過音速時,這些阻力便會大大衰減。為了突破音障,人們採取了後掠翼、面積律等先進的氣動佈局;同時噴氣發動機的改進也獲得了更大的推力。1947年,美國的X-1火箭飛機首次實現了超音速飛行。20世紀50年代初,美國、前蘇聯、英國等研製出了實用超音速戰鬥機。

在1935年羅馬舉辦的一場高速空氣動力學研討會中,德國的布澤曼首先提出了後掠翼可降低風阻。1945年1月在NACA的蘭利實驗室,研究員瓊斯在對布澤曼理論毫無所悉的情況下,在設計導彈過程中提出了“亞音速後掠”的理論,經過幾個月的超音速風洞吹試,證實了此理論是正確的。

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羅伯特·瓊斯經過研究證明了布澤曼理論的正確性

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後掠翼可以大大降低波阻

第二次世界大戰快結束時,瓊斯向主管建議:以後高速飛機都應該採用後掠翼。戰後布澤曼攜帶豐富的後掠翼模型風洞數據來到美國,加入了蘭利實驗室團隊,而這也立即影響到全世界第一架後掠翼噴氣轟炸機——波音1947年推出的六發B-47“同溫層噴氣”,和北美公司F-86“佩刀”噴氣式戰鬥機的設計,B-47和F-86的機翼都是後掠35度。蘇聯則根據繳獲自德國人的資料,推出了後掠翼的米格-15,該機首飛於1947年12月,只比F-86慢了3個月。F-86和米格-15代表著第一代噴氣式戰鬥機的誕生。

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後掠翼之父阿道夫·布澤曼,手持F-86模型

F-86是世界上第一架在俯衝時達到超音速的飛機,以及第一架可以攜帶空空導彈的戰機。飛機設計之初便制定了很高的速度指標,採用更薄的機翼和更“瘦”的高細長比的機身以求提升速度,但經過實物模型的風動測試還是達不到965公里的期望速度。

1945 年 5 月德國投降後,美國急切渴望獲得關於最新的德國噴氣式戰鬥機的信息,以及其他德國秘密戰時研究諸如噴氣推進,火箭發動機和彈道導彈上的成果。軍方從工業界和研究機構中挑選人員組成“尋寶隊”前往被佔德國領土研究繳獲的資料,並製成微縮照片運回美國。

儘管德國關於後掠翼的研究僅僅停留在理論上,當時沒有可以達到近音速的飛機。但是這些研究成果還是引起了絞盡腦汁想提高 XP-86(F86的驗證機) 性能的北美工程師的注意。

在各國對噴氣式飛機還沒有具體概念的時候,德國航空工程師已用風洞測試過了人類所能設想的所有氣動外形,甚至包括一些奇形怪狀的佈局,德國人發現後掠翼在馬赫 0.9 時有極大的優勢。平直翼飛機在近音速時會受到壓縮效應的強烈衝擊,後掠翼延遲了激波的產生,並且在超音速時產生的激波強度比平直翼小得多,使得高速操控性較好,但德國人也指出後掠翼會導致令人不快的翼尖失速,且低速穩定性不好。

為了彌補後掠翼的低速缺陷,北美工程師在機翼前緣安裝了自動縫翼。縫翼完全自動控制,根據所受的氣動力打開或者關閉。當縫翼向前滑動打開時,可以加速流經機翼上表面的氣流速度,得以增加升力並減小失速速度,在高速時,縫翼自動關閉將阻力減到最小。

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F86還首次採用了全增壓座艙和液壓作動的副翼和升降舵,機翼是雙層蒙皮結構,在機翼油箱外板與機翼蒙皮間填充了沿翼展方向的金屬瓦楞結構。此結構代替了傳統翼內油箱的翼肋和桁條結構,為機翼提供了足夠強度的同時又不佔用翼內油箱的容積。

北美公司的 F-86 佩刀毫無疑問是最偉大的戰鬥機之一,1949 年佩刀進入美國陸軍航空隊服役,並在朝鮮戰爭中獲得了相當的空中優勢。朝鮮戰爭結束後,佩刀進入盟國空軍服役,成許多西方國家的主要戰鬥機,並且在加拿大、日本、意大利和澳大利亞按許可證生產。佩刀同時也是一個長壽機種,最後一架服役中的 F-86 直到 1993 才退役(玻利維亞空軍),可能創造了作戰飛機的服役時間紀錄。

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在朝鮮戰場上,F-86的空中對手是蘇聯的米格-15。米格-15是蘇聯第一種後掠翼噴氣式飛機,已初具現代戰鬥機雛形。

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米格-15採用機頭進氣,機身上方為水泡形座艙,內置彈射座椅。飛行中氣流在機頭由進氣道內的隔板分為左右兩股。機翼位於機身中部靠前,後掠角35度,帶4枚翼刀,翼下可掛兩隻副油箱或炸彈。機翼穿透機身,與進氣道內的隔板共同作用,將進氣氣流分為四股。在機翼前緣內放有一定量的鉛,以降低機翼對扭曲剛性的要求。

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米格-15三視圖

米格-15 一誕生,就遇上了朝鮮戰爭。剛上朝鮮戰場的米格-15 對美軍的 F-80、F-84 等平直翼噴氣戰鬥機佔有很大的速度優勢,對依然在服役的二戰水平的螺旋槳戰鬥機更是可怕。1950 年 11 月 8 日,四架 F-80 和 7 架米格-15 打上了遭遇戰,速度和火力佔優的米格-15 乾脆利落地搶佔高度,然後一個殷麥曼倒轉,從太陽的方向俯衝而下,打下了一架 F-80。這是歷史上第一次噴氣式戰鬥機之間的空戰,以米格-15 完勝告終。一時間,美國空軍被打得一籌莫展,一直到更先進的 F-86“佩刀”式戰鬥機加盟,才扭轉頹局。F-86 和米格-15 的優劣是世界上爭論了幾十年的話題,一般認為 F-86 的水平機動性較好,米格-15 的垂直機動性較好;米格-15 的加速較快,但容易進入不穩定區;F-86 的速度較快,液壓操縱也使飛機的實際機動性較好。

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米格-15 和 F-86 這一對老冤家,現在時常在航展上同臺獻藝

在朝鮮戰爭中一炮打響的米格-15 可能是蘇聯歷史上最重要的戰鬥機了。儘管蘇聯戰鬥機在二戰中取得了不俗的戰績,但在西方眼裡,蘇聯依然只是一個二流國家,至少在先進的航空領域裡無法和高貴的西方相提並論。米格-15 在鴨綠江上空使美國空軍在橫掃歐洲後第一次遇到真正的挑戰,使西方第一次認識到蘇聯作為一個超級大國的地位。從此,米格從二戰前夕的一個小字輩一躍成為蘇聯的戰鬥機之王,米格的名字和最先進的蘇聯戰鬥機連在了一起,直到 90 年代蘇-27 異軍突起。

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(旋翼機、固定翼、直升機相關圖紙、資料)

文章源 | 網絡


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