利用脱体涡获得高升力

利用脱体涡获得高升力


人们通过实验发现:45度以上的大后掠角薄翼在迎角很小时,气流就从前缘分离,并卷成一脱体旋涡。此脱体涡的涡心压力很低,由于上下压力差的作用,使得翼面的升力有所提高。我们知道,三角翼总升力等于位流升力和涡升力之和。


位流升力是根据位流理论计算出来的升力。图二中虚线代表总升力,而点划线代表位流升力(圆圈为实验点),两条线的差别就是理论涡升力。可见,由于有了涡升力,三角翼的升力线斜率和最大升力系数等均大大提高。如果把大后掠角的鸭翼和主翼近距耦合配置,便会产生有利干扰,而脱体涡的效率会更高,涡升力也更大(图三)。当鸭翼置于主翼的前上方时,前翼脱体涡因进入了主翼上表面的低压区而有利于涡心的稳定,延迟了旋涡的破裂并提高了前翼的失速迎角。此外,前翼脱体涡不但在前翼上诱导出涡升力,而且它在扫过主翼上表面时也给主翼诱导出一个涡升力。前翼涡的存在还有助于控制在主翼上形成的前缘涡,而延迟了主翼的失速。由于主翼一方面受到前翼的下洗(内翼段),另一方面也受到前翼的上洗(外翼段),所以使总的下洗量减轻。由于这些有利干扰的存在,近距耦合鸭式飞机在大迎角时升力较高,而失速迎角也较大(可达30度以上,而普通后尾式飞机的失速迎角只有十几度)。这对于扩大飞机的机动飞行范围和改善高速飞机的起降性能都具有重要意义。


在前后翼的相互干扰中,除了前翼对主翼的下洗为不利干扰外,其它均为有利干扰,这就使得近距耦合鸭式飞机比相同翼面积的普通鸭式飞机的升力大很多。在起飞状态下,近距耦合鸭式飞机可比无尾三角翼飞机的升力系数高出一倍!


当然,由于下洗的干扰量很大,在小迎角时有利干扰还不足以抵消不利干扰。即便是这样,在小迎角时,近距耦合鸭式飞机的最大升阻比已相当于同级后尾式飞机了。随着迎角的增大,有利干扰量逐渐大于不利干扰量。当迎角达到16度左右时,近距耦合鸭式飞机的有利干扰便超过了不利干扰,其全机升力系数已高于单独前翼与单独主翼升力系数之和,这是普通后尾式飞机所不能及的。因为对后尾式飞机来说。也存在主翼对尾翼的下洗问题,而且此不利干扰还随迎角的增大而增大。即使让尾翼也产生正升力,它的全机升力系数也始终低于两个单独翼面的升力系数之和。


擦地角大


鸭式布局的飞机还有一个优点:由于主翼在后面,机身尾部短,擦地角(机尾触地的角度,由主轮和尾喷口之间的连线与地面水平线之间的夹角确定)可以设计得比较大,这有利于飞机以较高的迎角(14度~18度)起降。而普通后尾式飞机的后机身较长,擦地角往往只有8度、9度。


近距耦合鸭式飞机也还存在着缺点:配平困难的矛盾没有得到根本的解决,这就大大地限制了它的使用范围和性能的发挥。为了克服此矛盾,国内外的飞机设计部门采取了一系列技术。例如采用展向吹气或弦向吹气的方法提高前翼的配平能力;或者采用电传操纵系统和主动技术放宽飞机的静安定余度,把前翼从沉重的负担中解放出来,并且利用前翼和主翼动翼面的协调动作去实现直接升力和直接侧力控制。“阵风”和“台风”及JAS 39等新一代采用鸭式气动布局的战斗机均装有电传操纵系统,可以实现主动控制,所以它比Saab-37更前进了一步,气动性能也大幅度提高。


新型鸭式飞机已经在上世纪90年代崭露头角,而且在气动上它们还大有潜力可挖。可以预言,随着二元喷口、复合材料、前掠、动力增升以及主动控制等新技术的应用,鸭式飞机的性能将会有更大的提高。



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