[原创]漫谈尾翼(经典美图)

尾翼就是指飞机后部的翼面。主要有两种,一种是平尾。一种是垂尾。我写那篇关于翼形的文章时,就有人回贴说我应该一起写关于尾翼的东西。我想来想去,还是感觉尾翼比机翼要麻烦。因为从有飞机以来机翼外形一般没什么太大变化直到第二代喷气战斗机出现了一些不同设计(我那个贴子说了一些),主要变化在机翼截面形状上。尾翼就麻烦多了,所以还是另开一贴吧!

世界上最早的飞行装备是中国的风筝,看到过的一篇文章说风筝是春秋时期发明的。为了让风筝稳稳的飞在天上,中国人模仿性地给风筝加上了鸟一样的翅膀和尾巴。这就是世界上最早地尾翼。这个平尾在风筝上调整了气动中心使重心与气动焦点关系更合理,所以风筝就能稳定的飞行了。

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后来在那些白痴白人的滑翔机也模仿鸟的结构做成的,没一个能飞起来的。后来终于有个法国人(还算有点智商的东西)写了一篇文章《论空中的航行》也就是所谓现代航空理论的基础。他在文中提到了为了保证飞行器航向的稳定的可操纵性需要垂尾。同样纵向稳定性和可操纵性需要一个平尾。如此开始飞机的尾翼一词正式出现在人类航空史上。

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达芬奇设计的东西

莱特兄弟的飞机,由当时的技术限制,只有用绳子拉舵面操作。为了绳子不互相缠绕只能把控制纵向动作的机翼拿到了飞机的最前边。由于当时速度非常低,操纵面太小根本达不到操纵目的,所以用得都是全动平尾和垂尾。莱特兄弟的飞机,是全动鸭翼布局。前鸭翼在飞行中产生的混乱流体场对主机翼产生的不良影响直到20世纪90年代才彻底被解决,所以莱特兄弟的飞机的总体布局并不合理。

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一战时期的飞机就基本成形了,主要起配平和操纵功能的尾翼都放到了后方。因为把尽量多的操纵面向后移的同时,操纵气动力焦点会向后移,使飞机更趋向于安定设计(重心在气动焦点前方是安定设计,什么是安定设计我以后慢慢说)那个时代安全比机动性更重要。这时尾翼的功效随着飞行速度的增加而增加,全动的操纵面很小的角度改变就会产生很大的力改变,使整体操纵效率很低。所以这个时代的飞机的尾翼操纵面用的是固定翼面,通过舵面改变翼形从而改变力大小的方向的。固定部份翼面的作用也就成了配平飞行中的突变状态(受到侧风影响,垂尾面积较大所以受到的影响更大,飞机有自动修正飞行姿态能力)。操纵面成了改变飞行状态的手段(通过偏转产生操纵力,改变飞机姿态)。

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到了二战时期飞行理论更趋成熟。为了减小阻力尾翼形状也从方形向椭圆形变化,为了生产方便尾翼形状又向梯形变化。尾翼也出现了 “┳”型尾翼,“┻”型,“╋”型尾翼布局。

“┳”和“╋”型尾翼因为平尾在垂尾之上所以对垂尾的强度要求较高。由于平尾的干扰,垂尾的气动效率也变大方向稳定性较强。但在大迎角状态下,平尾处于主翼的尾流场中使平尾的操纵效率突减甚至失效,而在大迎角状态下平尾正是要用来调整飞行姿态,避免进入尾旋的。所以,这种尾翼布局只能用在运输机和轰炸机上。

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“┻”形尾翼因为平尾安装位置非常低,在飞机大迎角状态下,平尾反倒被送到平稳流场中,其操纵效率反而更高,抗尾旋的能力也就更强。所以战斗机大都采用这种布局方式。

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垂直尾翼变化就多了,有单垂尾、双垂尾、三垂尾、四垂尾。单垂尾就一个垂尾,结构简单,重量轻。多用在单发飞机上,机头的螺旋桨气流正好吹过垂尾使其效率增加,二战中的战斗机大多是这种设计。双垂尾就是两个垂尾,一般用在双发飞机上,也是分别在两个螺旋桨气流之下,双发轰炸机B-24就是这种设计。

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三垂尾就是双垂尾中间又增加一个。法国“卢瓦尔-纽波特”LN411

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四垂尾就是一共四个垂尾,在P-38上用了这种方案,不论P-38在哪种飞行姿态下,它的两个螺旋桨都能吹到垂尾。P-38的平尾在垂尾中穿过,也能“享受”螺旋桨气流的关照,操纵效率大增。所以P-38的机动能力超群。

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二战后进入了喷气时代,飞行速度跨越前进。很快达到了音速,为了解决音障问题,发明了后掠翼。尾翼同也被设计成后掠。厚度也被减小,这种翼形下的平尾所产生的力又会变得很小无法改变飞行状态,人们又回到了原点,使用全动平尾。垂尾由于需要在超音速的激波中很好地保持方向稳定性,被设计得很大,只用舵面操纵就可以完成满足方向改变需要(飞行员对方向的改变要求,没有对纵向俯仰改变要求大),所以没用全动垂尾。

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后来美国和苏联又偏执性地追求速度和高度。于是就产生了一堆“怪物”。

Mig-25后掠得变态的尾翼

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和美国F-104在地面时机翼锋利的前缘(只有两个剃须刀片厚)要用专用翼盒罩住以免伤人甚至杀人。

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SR-71更是为了减小阻力把平尾去掉,只用主翼上的升降副翼偏转改变气动焦点,产生偏转力。

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这期间垂尾又分成了单垂尾和双垂尾两大第别。单垂尾为了提供足够的稳定性越来越巨大,双垂尾就可以把每一个垂尾都设计得小一些。

直到F-4的倒霉开始美国和苏联又回到了动机能力的老问题上来。于是,大迎角下的设计成了战斗机设计的主要思想。在大迎角下,大后掠的垂尾前缘与气流的方向几乎是平行的甚至是负角,这就是说垂尾完全失效。而且机身所产生的紊流区正好覆盖了垂尾。所以才有了F-16这样的中后掠而高大的垂尾。

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和F-15这样分装在机身两边,尽量在大迎角状态下不被机身紊流影响的双垂尾。

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光是这样还不足以提供稳定性,所以飞机的肚皮上又被装上了一些安定翼。这些安定翼不会受到机背紊流的影响,而且在机腹压缩作用的气流下,效率更高,以补偿飞机方向的稳定性。(要是我,我就用电传操纵的全动垂尾了,何苦来的做这多麻烦。一个电脑配平OK了。)

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平尾则是以梯形翼为主,大后掠也没什么太大妨碍,只是面积越来越大,不过F-15为了增加平尾的气动效率给平尾前缘加上了钜齿,这东西制造的涡流使平尾在机翼的紊流中气动效率明显提高,但阻力也是具增。

只是有些设计把平尾拿到了机头做了鸭翼。这里就不多说鸭翼了。

进入了21世纪,全新一代的战机开始装备了,F-22就是这一轮的领跑者。F-22兼顾了隐身性和机动性。垂尾大棱形双垂尾,为了减小雷达牲有巨大的外倾。又正好在机翼和平尾之间,减小的反射区。F-22的方向舵转轴前掠设计,为的是在大迎角下有方向舵就变成了垂直转轴。平尾也用的是大面积棱形翼面设计,有很好的控制能力又有比较小的雷达特征。

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本文内容于 2008-7-23 19:52:04 被于泽龙编辑

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