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最近国产第五代战斗机歼20首次在珠海航展中公开亮相。大量的美照占领了各个门户网站的头条。这些照片给了平时不太关注军事的朋友们了解军事科学和空气动力学的机会。

物理学博士:歼20的涡流

图1: J20

大部分军迷都不需要这个科普,但不妨进来再次欣赏品味一下这架世界顶级的战斗机。

上面这张照片中,飞机两侧拉出的两道长长的雾气是两条涡流。涡流是一个管状的结构,里面的流体旋转着前进。

涡流是常见的流体现象,当流动遇到障碍物的时候,特别容易产生涡流,比如在有很多大石头的湍急的河里。在涡流和水面交接的地方,你会看见一个漩涡。涡流里的流动不只是旋转,还有一个纵向的运动,进了漩涡里的东西会被带到水下去的。空气中的涡流你在生活中一定也见过,旋风带起地上的尘土,可能是因为风刮到了建筑物的角。歼20的涡流你为什么可以看见呢?

那是因为现代战斗机的涡流非常强劲,高速的气旋中,离心力把空气向外甩,导致涡流管的芯成为低压区,空气骤然膨胀会导致降温,此时如果空气湿度高,大量的水蒸气就会凝结成雾。于是你就会看到一条长长的雾气。

飞机产生的涡流永远在那里,能否在照片中显现出来取决于气候条件。在这次正式亮相前,网上早已有大量歼20的照片流传出来。但很少见到有涡流的。一定是因为珠海的天气,这次短暂的表演,留下了大量涡流的照片。给我们提供了宝贵的细品歼20气动设计的机会。

航空科学中最普通的涡流来自飞机的翼尖,每一架飞机都有。

物理学博士:歼20的涡流

​图2 J20的翼尖涡流

物理学博士:歼20的涡流

图3: 翼尖涡流和诱导阻力图解

产生这种漩涡的机制用上面那张图很容易解释。飞机之所以能飞,是因为机翼产生升力,机翼下方的气压比机翼上方的气压高,气流总会从气压高的地方流向气压低的地方,于是空气绕过翼尖向上流动,气压差催动了很快的流速,冲过头了又被拽回来,产生了旋转力,飞机过后,拖出两道涡流。

物理学博士:歼20的涡流

图4: 八一表演队的歼10携带拉烟装置

注意飞机表演时,常常会携带拉烟装置,释放出的烟并不是涡流。你常常会见到天上的飞机拖着一道白雾,那是喷气引擎的尾气凝结了高空中的水分造成的。

物理学博士:歼20的涡流

图5: 特殊气象条件下的涡流的照片

上面那张波音747的照片应该是在空气中水分超饱和的极端气象条件下拍摄的。发动机喷出的尾气顷刻间造就浓厚的雾霾,雾霾一直不散,被气流带着走,让我们看见飞机后面两个巨大的涡旋,原来400多吨的升力会带起如此壮观的惊涛骇浪啊!

但这两条涡流对飞机不是好东西。产生涡流需要消耗飞机的动能,涡流区域气压小,拖在后面的涡流肯定要加大阻力。这种阻力是升力诱导出来的,所以叫升致阻力或者诱导阻力。你旅行时,一定见过一些飞机的翼尖上有翘起来或竖起来的小翼,那是压小涡流减少诱导阻力的装置,如图:

物理学博士:歼20的涡流

图6: 翼尖小翼

物理学博士:歼20的涡流

图7: 歼20的涡流

然而图1和这张照片中歼20的两条涡流,却是从机身的前部产生,从主翼上面流过去的。由于涡流附近是低压区,机翼上面的涡流是提高升力的。它虽然也带来一些阻力,但大幅度提高的升力比,非常合算。这是好的涡流,是现代战斗机的设计者们孜孜追求的东西。

像波音747这样的客机,机翼只要产生超过最大起飞重量的升力就足够了。战斗机则完全不一样,迅速拉起,急转弯所需要的巨大的横向力都需要由飞机的机翼产生。我们常听说战斗机需要做9个g的机动,这就意味着战斗机那个时候至少需要8倍自身重量的升力。不但需要极大的升力,升阻比越大越好。比如升阻比低于4了,飞机做5g机动时的阻力就超过了自身重量的1.25倍,发动机克服不了这样的阻力,拐个急弯速度就降下来了。

提高升力最简单的办法是把机翼做大,特别是像民航机那样细长形状的机翼,术语叫大展弦比,诱导阻力小。但这样的机翼战斗机不能用,超音速时阻力太大,也不结实。如果让波音747做9g的机动,就算飞行员能做到,这两片又薄又长的机翼承受近4000吨的重量早都折断了。战斗机都是用小展弦比的三角翼。在这样的设计下还要能有很大的升力和升阻比。涡流可以提供重要的帮助。

​涡流能够产生的额外升力,叫涡升力,提高升阻比。飞机如果需要更大的升力,需要加大机翼的迎角,(或者叫攻角Angle of Attack)。迎角不是飞机爬升的仰角,而是机翼和迎面来的风之间的角度。然而当迎角大到一定程度后,升力反而减小,叫做失速。涡流的产生则可以让飞机在更大的角度下不失速,大幅度地提高飞机的机动性。

怎样产生好的涡流?一般地讲,一个有尖锐棱角的面,两侧有压力差,就容易产生涡流。细看歼20,涡流是从主翼前面两侧比较尖锐的棱上发出的。

物理学博士:歼20的涡流

图8: J20早期照片,主翼前两片浅色的狭长三角区域是边条翼

这个东西有个名字,叫边条翼。对很多第三代战斗机,边条翼是两个窄长的薄片,当飞机的迎角大到一定程度时,刮住迎面来的风产生涡流。

边条翼在现代战斗机中很普遍。

物理学博士:歼20的涡流

图9: 美国海军的F18

物理学博士:歼20的涡流

图10: F18拥有很大的边条翼

上面是美国海军的F18,好的坏的涡流你都能看见。这是主流服战斗机中比较早的采用大片边条翼的。边条翼就是两条,按形状称不上“翼”,但它和主翼联合工作,在需要的时候可以帮助主翼提高升力。

物理学博士:歼20的涡流

图11: F18边条翼的气流图

物理学博士:歼20的涡流

图12: 再看歼20的涡流,被吸回沿着机翼流动,这样涡升力效果最好

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