[原创]浅谈气动外形的优劣和飞机设计

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导读: 一直来都想写点空军的帖子,但没有好的题目,刚刚看了关于发动机的几个帖子,就想着顺带写点关于空气动力学和气动外形的内容,来做个科普,同时做好挨砖的准备,呵呵。 气动外形其实就是指如何根据空气动力学等原理来设计的飞机外形。自从飞机问世后,所有的设计师都在梦想着设计出打遍天下无敌手的好飞机,更高的机动性、更远的航程、更大的载弹量,所有的所有都是被不断追逐着,也是不断被刷新着,不断有新的技术、材料、工艺被引进到航空工业中来,所以说航空工业是一个国家的综合实力体现是一点都不为过的。 气

一直来都想写点空军的帖子,但没有好的题目,刚刚看了关于发动机的几个帖子,就想着顺带写点关于空气动力学和气动外形的内容,来做个科普,同时做好挨砖的准备,呵呵。


气动外形其实就是指如何根据空气动力学等原理来设计的飞机外形。自从飞机问世后,所有的设计师都在梦想着设计出打遍天下无敌手的好飞机,更高的机动性、更远的航程、更大的载弹量,所有的所有都是被不断追逐着,也是不断被刷新着,不断有新的技术、材料、工艺被引进到航空工业中来,所以说航空工业是一个国家的综合实力体现是一点都不为过的。

气动外形设计作为飞机设计中最最关键也是最直观的部分,在整个设计中是最受重视的,但是,设计不等于简单的模仿、堆砌先进技术,作为作战飞机,检验设计成功与否的关键是能否很好的完成设计要求。因此,首先要说明的就是气动外形设计的出发点是飞机的设计要求,同样的技术在不同的要求环境下可能有大相径庭的效果,这是我们后面要谈到的,也就是说,没有绝对好的气动外形,只有最适合的。

当然了,有一位设计师曾经说过,“好飞机都是好看的飞机。”这句话稍稍有点偏颇,但也不无道理,道法天成,有些东西是通的。呵呵!


最早的飞机,尤其是一战时期的战斗机以及更早一些的飞机,非常喜欢适用多翼面的结构,从而在尽可能小的体积上获得更大的升力翼面和可操作翼面,这和当时飞机发动机功率小有很大的关系。当时的飞机关键是要在低速的环境下获得足够的升力和足够的可操作性,因此多翼面的优势就非常明显。一战时期的德国“福克IV”三翼机就以其灵活的机动性成就了“红色男爵”,使协约国的飞行员望风而逃。但是多翼面带来的问题也很明显,就是结构重量大,对飞行员的视野影响大,高速性能不佳。


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随着上世纪30年代航空工业进入了黄金时代,发动机的发展获得了突破,气冷、液冷、星型、涡轮增压等技术的不断成熟和完善使得设计师比较容易的就获得了足够的动力。因此气动外形的变化而随之到来。首先就是单翼面的全面出现。由于高速时多翼面带来的阻力更大,同时对其结构强度的要求也越高,对发动机动力的损失远远大于其贡献。同时,由于速度的增加,使得单翼面的升力能够满足飞行的需要,同时单翼面的控制效率也可以保障飞机的机动性了。

单翼面的全面兴起在上世纪30年代中后期,随着二战的爆发,在苏联、美国等几个国家中最后少量的双翼面战斗机在经历了很短一段时间后就彻底推出了一线,不是被击落就是被淘汰。剩下的就是作为联络、运输、通信等支援任务时才能看见双翼机的身影。

单翼面时,如果机翼面积较小,在同等重量的情况下,翼载(质量/机翼面积)就会较高,但阻力相对较小,那么在发动机功率一定的情况下,飞机的速度就较高。但是由于高速造成的翼面横向力矩相对较小,横向可操纵性要弱一点,体现出来的就是盘旋性能较差;反之,如果翼载较低,那么其阻力相对较大,而盘旋性能就要好一点。前一种飞机适合高速俯冲攻击后摆脱,而后一种飞机则更适合于“狗咬狗”的缠斗。代表例子的就是BF109对喷火、P40对零式。


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随着发动机性能的不断提升,平直翼前部将出现空气堆积,造成大量的阻力,为了解决这个问题,将空气及时的送过去,就有了后掠翼。当然,在低速飞机上平直翼还是用了很长一段时间的,甚至在早期的喷气式飞机中还有大量平直翼的设计,不过当时的喷气式发动机还不能提供高速飞行所需要的动力。


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德国的ar234,世界上第一种喷气式轰炸机,飞出过920KM的时速。


二战时还有一种气动外形就是W翼,又叫海鸥翼,代表是德国的斯图卡和美国的F4U。这种翼型的特点就是在高速气流环境下,空气在机翼中部以下将产生“压缩效应”,带来更大的升力。同时由于弯曲的设计,同样翼展下飞机的可操作面更大。斯图卡俯冲时能够达到500~600KM左右的时速,拉起来的时候可不是件容易的时期。


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随着对战斗机速度要求的不断增加,以及航空动力的发展,设计师发现在高速时,后掠翼的后掠角度不断增大,对翼根强度的要求不断增加,大到快无法满足了,尤其是高G机动的时候,搞不好就来个空中解体,于是就直接把后掠翼的后缘与机身相接并向后延伸,形成了三角翼。

小三角翼的来到使得战斗机轻松达到了M2(MiG21和F104),但是二代机的特点很鲜明,就是为了降低阻力,机翼要做的薄,可是那样的话机翼内部就无法设计整体油箱或者说油箱很小,因此造成了“腿短”的特点。同时,由于翼展小,可操控性要弱,水平和横滚性能就差了。针对小三角翼的特点,在三代机中出现了大三角翼的设计,法国的幻影2000就是代表,大三角翼容积大了,装油多;而且机翼面积大,翼载小了,翼展大了,水平和横滚性能都好了。但是问题又来了,上帝总是公平的,由于大三角翼无尾翼配平,所以纵向稳定性不好,垂直性能、高仰角稳定性等指标都不是很好。


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为了获得高速和低速环境下统一的机动性能,变后掠翼出现了。变后掠翼可以改变后掠角度来适用不同速度下的气动要求,因此理论上可以为飞机提供全空域、全空速范围内最优的操纵性。可是,呵呵,上帝还是公平的。你要获得高速和低速下的统一没问题,但你要付出代价,那就是变后掠翼的结构,这部分结构是不会为飞机性能带来任何直接好处的,反而直接影响飞机的整体设计、航程、加速性等等;同时,在高速环境下进行变后掠角的动作将会引起飞机操作特性的改变,尤其在机动动作时,这将很容易发生飞行事故。解决前面问题的方法是,把飞机做的大一点,比如美国的F14、F111、B1、苏24、M22,加上足够的动力那就差不多(当然你对高速截击不能抱太大的希望,大马拉小车这种事情不多见的)。对后面问题的解决方法有两个,苏式的和美式的。苏式的就是固定三个后掠角,要求飞行员在飞行时只能在平飞的时候进行调整;美式的就是编一套复杂的飞控软件,装上电脑后那就是电脑的事情了。前一个方法成本低,效果也差一点;后一个方法成本高,但是效果好一点,怎么办就看设计师如何考虑和军方的需要了。做好了能有很好的效果,就拿F14和F15比吧,虽然F14在推重比、翼载荷上面比F15落后一大截,但是其诱导阻力要比F15小很多,估计就一般左右,而格斗时主要就看推重比和诱导阻力,所以在低速格斗是,大大的F14还比F15有优势,这点美国海军自己也承认,要不然F14就不会在海军服役那么久了。其实F15设计时也考虑过变后掠翼,不过被“战机黑手党”给否了,呵呵,不然还真不好说。


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后来设计师发现,在机身两侧装上边条会有增升增稳的效果,同时,边条翼能够更好的实现翼身融合。在飞行中,机翼和机身都产生一定的阻力,如果采用传统的机翼和机身的连接方式,产生的阻力大于机翼和机身单独产生的阻力之和,多出来的一部分阻力称为干扰阻力,这是由于流经机翼和机身的气流互相干扰产生的。合适地连接机翼和机身可以尽量消除干扰阻力的影响,在一定条件下甚至可以改善流场,使得总阻力小于机翼和机身单独产生的阻力之和。

边条翼不仅使得翼身融合设计更加容易,而且也更容易满足面积律的要求。但重要的是边条翼可以产生涡升力,加上翼身融合设计中机身也可产生部分升力,这等于大大降低了飞机的翼载荷。在某些飞行条件下,F-16的实际等效“翼载荷”相当于1.9千帕。这个数字大大低于按通常方法计算的3.1千帕,已接近二战时期战斗机的水平了。


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战机黑手党的杰作-F16


同时,关于进气道也出现了新的选择,首先是3种进气道——正激波、固定斜激波和可调斜激波进气道。其中正激波进气道最简单,而且在典型的空优作战中能够满足需求。固定斜激波进气道在满足大推力涡扇发动机时其截获面积太大,会带来更大的重量和阻力。而可调斜激波进气道在>M1.6时比正激波有优势,但在低速时并不合用。

在进气道的布置上,机腹进气方式和机身两侧进气、翼下进气的对比研究中发现,机腹进气的总压恢复和湍流影响均优于两侧进气和翼下进气,而且随着迎角和侧滑角的增大优势越来越明显。也就是说飞机大迎角飞行时机腹进气道的效率最高,机腹进气的另一个好处是当地的附面层较薄,这一点在大迎角下尤其明显,这点从苏27/MIG29的大迎角能力上应该可以发现。DSI进气道取消了机身和进气道侧板的缝隙,减小了阻力,优化了进气道的气流,更重要的是可以遮蔽发动机叶片,从而降低了雷达反射面积,对隐身很有好处。


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枭龙06号机和DSI进气道


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F16的进气道


在单发和双发的选择上,“战机黑手党”认为单发战斗机的SEP值将优于总推力相同的双发战斗机,这主要是由于单发战斗机的后机身流场相对来说更简洁、阻力更小的缘故,这也是F16成功的一个因素。事实上,飞机的后机身流场十分复杂,有时产生的阻力甚至占总阻力的40%。而且,单发飞机的横向稳定性是个问题,垂直翼面就不得不加大,但是在高仰角的时候会对垂直尾翼产生遮挡,那样就只能加大腹翼,或者就采取双腹翼的方式解决,就像F16一样。

双发+双垂尾要好一点,稳定性好的很,但由于太稳定了,反而在进入机动和改出的时候就困难点,机动性理论上来将要差一点,不过你可以通过发动机来解决,就像F15。F15在设计是参考了能量空战理论,但真正成功的还是要靠那两台大发动机,而“战机黑手党”精心创制的F16就用一台发动机实现了比F15更好的机动性和航程,以及差不多的武器携带能力。

在这里插一脚说说老毛子的飞机,应该说老毛子在空气动力学上的积累很厚,一二代机表现一般的原因除了设计思想还有就是发动机差一点。到了三代机,有了AL31和RD33,老毛子积累的水平就出来了,宽距双发、大边条、双垂尾、翼身融合等先进的气动结构加上电传控制系统,苏27和MiG29拿出了让世人惊叹的机动性,简直比战机黑手党还“黑手党”!


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随着对机动性要求的不断增加,多翼面又重出江湖,不过这次是以鸭翼的形式出现的,由于鸭翼(当然是全动的)能够压缩并调节主翼的气流,效率大大高于调节主翼尾流的水平尾翼,因此鸭翼能够使战机获得更高的可操作性以及高仰角的稳定性。而且由于鸭翼的增升作用,鸭翼飞机的短距起降能力相对较好。当然在早期的二代机中也有用鸭翼的,不过是固定的,如法国的幻影III/V,这些鸭翼由于是固定的,因此在效果上就不是很好,只能解决一部分问题,但优势在于成本低,对飞机的气动影响小。鸭翼也不是没有缺点,那就是鸭翼对飞机整个气动外形的影响非常大,往往需要大量的风洞测试和外形修正,而且在隐身上来说鸭翼没有一点好处。鸭翼的代表大家也很清楚,EF2000、歼10、阵风、JAS39都是代表,应该说是三代机或三代半中很常见的一个外形。


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再说现在流行的外斜尾翼,也就是Y型尾翼,当然了这些肯定是双翼,好处前面都说过了。Y型尾翼最大的优点就是降低可探测性,但是在气动外形上就有点不利索了,由于尾翼在气流中是依靠其斜面来操作的,因此操作效率不如垂直的高,要保障纵向操纵性就比较难。所以要解决这个问题又只能靠电脑,用飞控来解决,靠手是不行的。不过现在飞控都是4余度以上,安全性还是有保障,所以现在Y型尾翼似乎成了潮流。



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唯一的四代机 F22


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F117尾翼的特写


和Y型尾翼类似的还有飞翼,代表就是B2。其实飞翼别看隐身能力强,但其最强的还是他的飞控,因为没有飞控的话,飞翼根本不能飞。你想要用水平尾翼来实现垂直尾翼的功能,还要在复杂的气流环境下,没点本事搞不定的。当然了,飞翼的机动性也不会好到哪里去,B2依靠的就是隐身能力。


应该说气动外形和战机设计的内容很多,涉及的学科也很复杂,未来发展的方向就是高速、隐身以及高机动性的结合,F22已经给了个范例了,其他国家如何来实现就要看各国的实力了。对于气动外形的研究、空气动力学的探索、飞控软件的发展等都还有很大的发展空间,但最关键的还是结合飞机的作战目的和要求来进行设计。

未来的战斗机能发展成什么样子,我们拭目以待。


本文内容于 2008-1-23 0:59:18 被zhao2365192编辑

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