為什麼現代戰鬥機不再使用變後掠翼設計?

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變後掠翼曾經是各大國爭相研製的一類飛機。優點是不同飛行速度下表現都良好。缺點非常要命,結構死重很大,維護起來十分複雜。現在的設計可使用邊條翼改善大迎角性能產生渦升力。發動機推力也不像以前那麼小了。可變翼相比之下優勢就不太多了。冷戰結束後對高速攔截這種作戰基本沒什麼太大需求的了,另外新的5代機需求完全不同,可變翼設計和這個需求向反。重新設計基本是添更多的坑,實在難度過大。

空氣動力學以前還不能解決各種翼型帶來的適應性問題。最後只能發展出可變後掠翼這種複雜的翼型。但現在只需普通的邊條翼就能實現以前多種翼型所具備的各種優點。可變後掠翼看起來科技感十足,但結構非常複雜。維護起來簡直是地勤的噩夢。雖然飛行員喜歡可變翼飛機,但地勤無一不討厭這種飛機。過去的飛機是穩定飛控,現在是不穩定飛控,全數字計算機控制,想飛什麼花樣都可以實現。而且可變翼設計不利於應用於隱身機上。

可變後掠翼可以高低速兼顧使用。低速時機翼儘量伸長,提高升力。高速飛行時機翼會旋轉到大後掠角,阻力低速度快。缺點不用說,得加一套轉動結構,這個結構重量很大。機翼變化時會影響飛機的重心,飛機的升力中心會因此改變,操作起來十分麻煩,因為這改變了飛機飛行狀態。現在的飛機通過邊條翼也可達到此效果。已經不需要用複雜的變後掠翼的方案兼顧高低速使用,所以再沒有發展這種變翼飛機。


楠竹一

我是軍林縱橫!

機翼分類最通用的,是按照平面形狀分類,分為平直翼、後掠翼、前掠翼、三角翼、菱形翼等。所謂的變後掠翼,緣於“變”字,其較之一般的機翼設計還是存在較大差異的,就是機翼後掠角在飛行中可以改變的機翼。

F111

從外形看起來,機翼外形有平直、三角、後掠、前掠等,可謂是五花八門。但不論採用什麼樣形狀,都必須具有良好氣動外形,且結構重量儘可能輕。以達成升力大、阻力小、穩定操縱性好等目的。


變後掠翼這種設計,是為了讓機翼變後掠,用不同的後掠角去適應不同的飛行狀態。因為大後掠角、小展弦比的機翼,可以降低飛機的激波阻力,提升飛行速度;但此時機翼在亞音速狀態時升力較小,誘導阻力較大,效率不高。於是有了變後掠翼飛機——內翼段固定,外翼同內翼用鉸鏈軸連接,通過液壓助力器操縱外翼前後轉動,改變外翼段的後擦角和整個機翼的展弦比。

狂風戰機

世界上第一種變後掠翼戰鬥機F-111,由美國通用動力公司於1965年研製成功的。

米格23、F14“雄貓”、狂風戰鬥機都是典型的變後掠翼戰鬥機。但是,變後掠翼的缺點是,結構和操縱系統複雜,重量較大,故障率比較高。要命的是複雜的機構設計限制了飛機的載荷、外型、隱身等一系列性能提高。

這些都與如今先進戰機的設計理念格格不入。而隨著空氣動力學、航空技術等的不斷髮展,現在採用的諸如前緣機動襟翼、升力機身、邊條翼等技術手段後,某種程度解決了兼顧高低速度下的飛行與控制問題。

F14

正因此,變後掠翼的時代已經過去,因為難以滿足對最新戰機的全方位要求!


軍林縱橫

角度在飛行中可以改變的機翼稱之為變後掠翼。

變後掠翼戰機的典型代表是美國的F14雄貓,我們可以從這款戰機身上找到問題的答案!


F-14戰鬥機是根據美國海軍20世紀70年代至80年代艦隊防空和護航的要求,由格魯曼公司研製的雙座雙發超音速多用途艦載戰鬥機,主要執行艦隊防禦、截擊、打擊和偵察等任務。F-14戰鬥機採用60年代後期NASA提出的雙發雙垂尾變後掠中單翼方案,機翼為變後掠中單翼。

飛機在超音速巡航、亞音速巡航及短距起降狀態下對機翼的要求是不同的,從空氣動力學的角度講,要同時滿足飛機對超音速飛行、亞音速巡航和短矩起降的要求,最好是讓機翼變後掠,用不同的後掠角去適應不同的飛行狀態。




但是採用變後掠翼也會帶來新的問題,如改變後掠角時,飛機的重心位置和升力作用點也會改變,使得飛機不易操縱,此外,在結構上也需要付出代價。這種設計增加了機構的複雜度與固件的數量,可靠性成幾何倍數的降低,同時生產複雜度和維護費用成幾何倍數的增加,從而造成付出多餘回報。



變後掠翼飛機有其獨到之處,但現代戰機更強調戰機的可靠性和安全性,同時隨著航發的升級換代,實現超音速不再困難。因此,採用變後掠翼設計已經不是優選方案了!


煙火裡的塵埃star

(F14戰機)

可變後掠翼飛機,在上世紀6、70年代左右曾大規模興起,美蘇紛紛研製出米格23、蘇17、蘇24等可變後掠翼戰機,而英德等國也聯合研製了“狂風”可變後掠翼飛機。可變掠翼飛機在當時興起的主要原因是這種設計兼顧了飛機高空高速與低空低速飛行這兩種相互矛盾的組合。

(二代機的高速飛行與低速機動矛盾很嚴重)

眾所周知大後掠翼能降低飛機激波阻力,適合超音速飛行,而平直翼在低速時升力係數大,低空低速操控性能優異。許多第二代戰機F4、米格21都有著低空低速機動性能差的弱點,在越南戰爭中F4甚至一度在低空低速機動中被第一代的米格17、米格19壓制;而傳統的戰術轟炸機也需要兼顧高空高速飛行與低空突防,對低空機動性也有了要求,於是可變後掠翼技術的出現完美解決了這兩種問題。

(低速飛行的F14,機翼展開,升力係數高)

通過翼根或翼中段設計轉動結構,可以讓飛機機翼變成不同後掠角的形狀,當需要高速飛行時,機翼就大角度後掠飛行;當需要低速飛行時,機翼就展開變成平直狀態,增加低速升力。其中最典型的代表就是F14“雄貓”戰機,F14作為一款重達19噸的重型雙發戰機,不但擁有優異的超音速性能,而且低空機動性能也非常好,甚至不亞於以低空機動見長的F18“大黃蜂”,在著艦時,F14的最低速度比F18還要低15公里/小時,足見其低空性能的優秀。並且可變掠翼在小後掠角狀態時,由於相對厚度、展弦比大、升力高,可以充分發揮襟翼的增升效果,因此F14、狂風戰機都在機翼上設計了全展襟翼。

(可變掠翼飛機無法在機翼上外掛武器)

可變掠翼雖然擁有以上優點,但是缺點同樣致命。複雜的傳動結構帶來的是比較高的故障率和增加飛機重量,F14高達19噸的空重甚至比蘇27還要高3噸,過高的重量增加了機翼翼載,一度程度上抵消了可變掠翼在機動性的優勢。並且可變掠翼無法在機翼上設計外掛點,浪費了戰術飛機上本就不富裕的外掛點,F14只能在機腹、翼根處設計外掛點。而隨著先進電傳操控系統、矢量發動機技術的興起,作戰飛機即使不採用可變掠翼技術,依然能夠在保證高速性能的情況下,保持較好的低空操控性能,並且重量代價遠低於可變掠翼技術,因此可變掠翼技術也就沒人採用了。


軍情解析

採用變後掠翼的戰機在上世紀的60-70年非常火,北約與華約組織都有同樣類型的戰機。這種佈局有一個最大的優點就是它可以兼顧飛機的高速和低速性能,通過改變機翼的不同掠角,來適應不同的速度,這樣可以在不同環境下的空戰中都獲得一定的飛行優勢。但是這種變後掠翼的結構比較複雜,而在變後掠翼戰機出世的年代,無論是材料還是工藝都達不到減重的要求,因此變後掠翼機構過於笨重。所以像輕型戰機,體積比較小的戰機如果採用這種佈局就會抵消它輕便的優勢,本來要求機動靈活,結果你要滿足速度要求,加了掠翼直接把重量給加上去了,得不償失。所以從第四代戰機開始,已經不再採用這種佈局了。

對於轟炸機來說,採用變後掠翼到是沒啥問題。因為本來重量就很大,再加一點也無所謂。不過目前更新一代的轟炸機還都沒有面世,自然也就看不到新機型採用這種佈局。但是我們還是能從B-1B與圖-160身上看到這種設計。這主要是因為隨著現代空氣動力學和航空發動機技術的高速發展,已經解決了戰機兼顧高低速飛行時的控制問題,常規機翼設計也能解決升力問題,因此就沒有再費力不討好的再玩變後掠翼了。

目前,仍然服役的變後掠翼戰機主要集中在伊朗,該國的F-14A戰機仍在服役;英德意的狂風戰機;還有俄羅斯的蘇-24MK擊劍手戰鬥轟炸機。而從蘇-27、蘇-30、F-16、F-15之後全新的變後掠翼戰機已經沒有了。澳大利亞的F-111也在2011年左右全部退役了。


陶德中士

可變後掠翼最早可以追溯到二戰末期德國人研製的P.1101原型機,可惜該機沒來得及面世戰爭就結束了。戰後,這些德國“黑科技”順理成章的成為美國人的遺產。50年代,貝爾X-5試驗機研究的正是可變後掠翼,它有三個機翼後掠角度:20°、40°、60°。進入60年代後,可變後掠翼才被美蘇發揚光大,這個時候誕生了蘇-17、蘇-24、F-111、米格-23等機型......70年代的F-14、B-1、狂風,以及最後的可變後掠翼圖-160。

貝爾X-5

這些機型的誕生時期主要集中於60~70年代,即便圖-160也是在60年代就開始研究工作了,主要被截擊機和轟炸機使用,多數能飛出兩馬赫以上的速度。可以說這種技術畢竟是60年代的技術,隨著技術的發展已經不再適用於現代戰鬥機了。當時可變後掠翼為的是兼顧飛機的高速性能和低速性能,因為後掠翼更適合高速飛行,而小的後掠角度能使飛機在起降階段獲得更大的升力,有利於降低飛機的起飛著陸速度。

F-14不對稱機翼

當然了,可變後掠翼的缺點也不少:可變後掠翼機翼很重而且機械複雜,影響性能和維護;後掠部分佔據了機翼內部太多的空間,這些空間原本可用來儲存燃油;機翼後掠部分很難設置掛點,影響載荷。隨著空氣動力學和發動機技術不斷取得進步,可變後掠翼設計逐漸被棄用。另外,新型戰鬥機對於速度的追求不再像過去那樣,而更加看重隱身,可變後掠翼幾乎不可能實現隱身,因此新型戰鬥機上自然不再使用這種機翼了。


攔阻著艦

變後掠機翼是人類航空史上的一個重要的發明,俄羅斯還專門為變後掠飛機劃了一代,這也是為什麼俄方的飛機劃代比美國多一代的緣故。


F14可變後掠翼飛機。

變後掠機翼的跨音速和超音速性能較好,因為機翼後掠,可以增大飛機的臨界馬赫數,並降低飛機的激波阻力。而在低速下的升力係數則比較小,可變後掠翼的出現兼顧了飛機在低速和高速下的飛行性能。

但為什麼現在戰鬥機不採用可變後掠機翼了呢?

B1B槍騎兵,近些年來美軍出現故障最多的飛機。

機翼是飛機升力的主要產生部分,在飛行中受到的力很大,這就要求了可變後掠翼的轉動結構必須要足夠堅固,而為了增加轉動結構的強度,就必須要增大重量,這是飛機所不能忍受的。

況且可變後掠翼的機翼的翼載很小,不能掛載更多的彈藥。

米格23戰鬥機。

複雜的轉動結構又造成了生產困難和維護困難。而這也並不能減少飛機的重量問題。

所以現代戰機就取消了可變後掠翼,而直接採用後掠機翼,這是因為隨著空氣動力學,邊條翼,航發的發展,可變後掠翼在低速下的劣勢可以得到有效的彌補。


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