前掠翼有什么好处?

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二战末期,飞机飞行速度进一步增大,在临界马赫数飞行时,飞行速度稍微增大一点,飞机的阻力就会急剧增加,需要消耗发动机很大的功率才能实现超音速飞行,一些人开始在气动设计上做文章。

1935年,德国著名空气动力学家阿道夫·布施曼在”第五届沃尔塔高速国际飞行学术大会“上首次提出后掠翼思想以减小飞行阻力、提高飞行速度。但随后几年后掠翼并没有受到重视,除了德国。在风洞试验时,一些德国空气动力学家突发奇想制作了前掠机翼模型,发现也能减小飞行阻力。1944年,德国研制了世界上第一种前掠翼飞机——Ju-287轰炸机,前掠角仅15°。

Ju-287前掠翼轰炸机

前掠翼和后掠翼是一对姐妹花,由于机翼倾斜一个角度,迎面气流产生的动压沿着翼展方向(展向)和垂直机翼方向(法向)分解,对比以前的平直翼(几乎全是法向),法向的速度分量大大降低,因此延迟了激波阻力的产生。在减小飞行阻力上,前掠翼和后掠翼没有区别。

后掠翼在翼尖附近,机翼下表面的高压空气可以横向绕过翼尖到达上表面,造成升力损失,在低速和大迎角时,翼尖会首先失速,升力集中在机翼根部造成飞机升力中心前移,接着飞机会进一步增大迎角和减小速度,最终整个飞机都会失速。

前掠翼刚好相反,翼尖失速后,升力集中的机翼根部在飞机靠后的地方,使升力中心后移,飞机迎角将减小,有利于抑制飞机失速,这对维持飞机大迎角机动具有重要意义,尤其是战斗机。

苏-47金雕(S-37)前掠翼战斗机

此外,由于前掠翼的展向气流是流向机体最终沿着机身两侧向后流动(法向),机身的作用相当于大号的翼尖小翼,同样可以减小诱导阻力和增加升力,相当于回收了在翼尖损失的升力。因此前掠翼飞机升阻比更好,在相同机翼面积时可以获得更大升力。

苏-47机动性相当优秀,低速性能也很好,很大程度上是得益于其前掠翼设计,很多看惯了后掠翼飞机的人第一印象总是认为前掠翼阻力会更大,其实刚好相反。

美国作为航空超级大国也验证过前掠翼飞机的气动性能,格鲁门和NASA联合研制的X-29就是其研究前掠翼的平台。到目前为止,也没有大规模批量生产任何一种前掠翼飞机,是因为前掠翼有其固有的、甚至是致命的缺陷,这里主要讨论前掠翼的好处,也就不多说了。

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前掠机翼技术是在第二次世界大战时纳粹德国的发展的,并首次在汉斯·沃克领导设计的Ju-287轰炸机上使用。前掠翼技术起源于元首时代的概念产物,那时候的元首想要制造一种能让敌军的战机跟在后边,并且灵活多变的战机来应对苏联等国家的战机。所以纳粹的军工就提出了前掠翼的概念,并在战争的末期研发出来第一款前掠翼战机-JU-287。不过,研发出来已经没有意义了,战争都已经结束了。不过这个技术却被苏联学习下来,所以,在上个世纪末期,苏联研发出了比较先进的前掠翼战机S37。据说S37的设计师喝伏特加喝多了,画图纸时把机翼画反了,于是阴差阳错地画出了一代名机。

前掠翼技术有很多优势。比如在结构方面,前掠翼结构可以保障机翼与机身之间更好地连接,并且合理地分配机翼和前起落翼所承受的压力。而其它方法很难达到或者不可能达到,它大大提高了飞机在低速机动时的气动性能。而且前掠翼的结构设计,还可使飞机的内容积增大,为设置内部武器舱创造了条件,同时也大大提高了飞机的隐身性能。前掠翼在气动方面有着独特的优势,由于它的升阻比高,所以能保证机翼与机身之间更好的连接,有利于起降。并且,它的最大好处在于机动性,这种优势在亚音速范围内最为明显。如果将前掠翼布局与推力矢量控制系统综合使用,飞机在空战中更是如虎添翼。使用前掠翼结构可以提高飞机低速度飞行时的可控性,并能在所有飞行状态下提高空气动力效能,降低失速速度,保证飞机不易进入螺旋,从而使飞机的安全可靠性大大提高。

当然,该技术也不是十全十美的,由于前掠翼技术比较复杂,在技术方面,要求还是超高的,对材料的要求也非常高,气动部件强度要求大,而且翼尖振颤的问题至今无法彻底解决。再加上由于震颤的问题一直都没有解决,所以目前还没有国家真正意义上投入军队使用,不过它毕竟代表了一种飞机的发展方向。

由于材料的制约,人类一直无法克服机翼前掠所带来的“气动弹性发散”问题,使得前掠翼的独特优势一直无法发挥,也因此,前掠翼一直无法得到广泛的应用。直到20世纪70年代,复合材料机翼结构的应用,才使得前掠翼的发展柳暗花明。相信在不久的将来,随着材料发展,慢慢突破材料的限制,前掠翼技术一定会越来越好。


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前掠翼飞机有哪些优势\r\r前掠翼飞机是指飞机机翼前缘和后缘均向前掠的飞机。\r\r和后掠翼飞机相比,前掠翼飞机的风向和受力方向是从翼尖向翼根运动。翼根和机体结合部分受力加剧。在结构强度可以承受的前提下,前掠翼飞机在亚音速条件下具有升力更大,可控性更好,载重量更大,起降距离更短等优势。\r\r但是,为了达到这些性能,满足结构强度要求,就需要在结构重量上付出更多的代价,需要用强度更高的材料来满足,否则,翼根部分受到的过大的力量冲击会导致飞机解体。而同样的材料如果用在后掠翼飞机上时,能使后者减轻重量,飞的更快更高。\r\r另外,前掠翼飞机的优势主要体现在亚音速条件下,到超音速以后,飞机翼根和机体受到的阻力加剧,不适合超音速飞机。否则,又要对发动机推力和结构、材料等提出更高要求,同等的技术和成本用于后掠翼飞机,会得到更佳的性能。\r\r所以前掠翼自从出现以来,除了德国Ju-287轰炸机这种异类少量服役以外,到现在,前掠翼飞机更多的是做为验证机,如美国的X-29、SWF/F-16和俄罗斯的S-37,为人类对飞机气动布局进行科学探索。或者在科幻影视和动漫中作为酷炫而存在。


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前掠翼的优点是机翼的效率要高于后掠翼,但是最大的问题是气动弹性发散问题,德国美国和前苏联都做过研究,但是一直没法解决,所以前掠翼一直不能投入使用。所谓气动弹性发散是指在飞行过程中,气流会顺着机翼的表面流向翼根,这样在翼尖就会存在一个扭转力矩,这个力矩会导致机翼折断,造成机毁人亡的事故。


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