前掠翼戰機的優勢在哪?

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前掠翼戰機與後掠翼設計相反,是機翼前緣和後緣都向前伸展的飛機。與常規的後掠翼設計相比,前掠翼造型科幻,廣泛出現在科幻作品中。那麼前掠翼到底是怎麼樣的設計?又有什麼特點呢?

(電影《絕密飛行》中的鷹爪戰機)

前掠翼設計的確有很多好處存。首先它可以有效克服翼尖失速問題。飛機的機翼根部與翼尖之間存在壓力差,這個壓力差會促使機翼表面的空氣向翼尖方向流動,導致翼尖附面層變厚,動能損失較多,容易產生氣流分離。當迎角增大至一定程度時,就會造成翼尖失速。由於後掠翼飛機的翼尖在重心之後,所以一旦發生翼尖分離就很容易導致整個飛機的失速。相比之下,前掠翼飛機的翼尖在重心之前,那麼在大迎角飛行時氣流是從翼尖流向翼根,這就從根本上解決了翼尖失速的問題。在低速狀態下,前掠翼具備更好的升阻比,而且在大迎角狀態下的飛行性能和機動性也更加優異。

(後掠翼設計的翼尖在重心之後,容易發生翼尖分離導致飛機失速)

前掠翼設計與同機翼面積的後掠翼設計相比,具備更大的升阻比,這樣飛機也就有了更大的升力,有效提升了飛機的載荷能力。不僅如此,前掠翼還可以提高飛機的起降能力和航程,起降距離與後掠翼相比最大可縮短近三分之一。前掠翼設計在失速狀態下,飛行員依然可以保持對飛機的控制,這讓戰機的機動性能得到了大幅度提升。

(前掠翼的氣動佈局似的機翼具有更大的升力)

(前掠翼戰機具備很好的短距起降能力)

前掠翼的設計優勢主要集中在亞音速或低速階段,因為一旦達到音速階段,在大迎角飛行時前掠翼飛機就會出現無法預測的不可控狀態點。因為不可控狀態點無法預測,所以即便是先進的飛行控制系統也難以解決超音速狀態下飛機的控制問題。除此之外,前掠翼飛機在超音速飛行時還存在結構發散的問題。在超音速狀態下,前掠的機翼因伸出機身而產生激波,這會讓機翼承受巨大的阻力,在強大的阻力作用下機翼很可能會被折斷,嚴重的甚至會導致飛機解體。

(後掠翼(右圖)的機翼完全可以處於激波之內,而前掠翼(如左)則會伸出激波外直面巨大的阻力)

(前掠翼在跨音速階段很容易發生折斷)

正因如此,雖然前掠翼與後掠翼飛機的研究幾乎同時起步,但是後掠翼卻一直是主流,不過人們對前掠翼飛機的研究也一直沒有停過。二戰德國的Ju287轟炸機、美國的X29A驗證機以及俄羅斯的蘇47技術驗證機等都是一代經典機型。總之,前掠翼只在亞音速階段具備優勢,此時要比後掠翼飛機具備更好的機動性、抗失速能力、近距格鬥和短距離起降的能力。

(美國X29A技術驗證機

(今年莫斯科航展再度現身的蘇47)


戰情解碼


現代戰機的各種氣動佈局最早可以追溯到二戰德國時期,雖然德國戰敗,但是其在航空領域的很多技術在美蘇等國開始開花結果。比如在投降前夕的1944年8月世界上第一款採用前掠翼設計的JU-287戰機成功首飛,這種在當時很不常見的前掠翼飛機雖然只是曇花一現,但是其代表的全新氣動佈局也讓美蘇兩國看到了亮點,所以戰後美國率先研製了X-29前掠翼技術驗證機,蘇聯則在解體前成功實現了其前掠翼戰機蘇47的試飛活動,那麼這種至今看來都覺得格格不入的前掠翼戰機相比我們更為常見的後掠翼戰機有什麼優勢存在呢?

首先從前掠翼的優點說起:

氣動優勢:我們更為常見的後掠翼戰機雖然成為了主流,但是因為後掠翼機翼表面氣流會向翼尖流動形成翼尖渦流,從而導致戰機在飛行過程中機翼產生顫抖的同時導致機尾紊流影響飛機操縱性。而前掠翼由於機翼朝前則避免了形成翼尖渦流的問題,再加之前掠翼戰機翼尖升阻比較高,而流向翼根的空氣受機身阻擋後會流向機尾,因此用空氣舵進行調整後反而會提高戰機的機動性。其次是前掠翼整體氣動阻力更低,所以有較高的飛行速度,像德國研製的JU-287轟炸機在首飛過程中最大飛行速度超過 了800千米/小時,這個飛行速度可比當時盟軍所有戰機的飛行速度高好幾倍,戰後蘇聯在JU-287基礎上研製了一款代號JII-2號前掠翼技術驗證機,其最大飛行速度更是達到了1100千米/小時,已經算是亞音速戰機的極限飛行速度了,畢竟那個時候美國的X-1飛機還沒有突破音障呢。

結構優勢:前掠翼結構相比後掠翼而言其機翼和機身之間可以更好的連接,並且合理的分配了機身和機翼之間的受力狀況,所以其大大提高了前掠翼戰機在高速機動和低速機動時的氣動性能,而且前掠翼戰機的結構設計也讓戰機內部的空間更大,更有利於增加內部機載設備或者佈置內部彈艙,而且也提高了戰機的隱身性能。
機動優勢:前掠翼戰機在亞音速狀態下有著非常好的氣動性能,所以其在高機動狀態下的機動優勢更為明顯,這就好比現在鴨式戰機在機動優勢上更勝一籌一個道理,同時如果能為前掠翼戰機配備矢量推力發動機的話,其機動優勢更為明顯。起降優勢:由於前掠翼戰機的整機升阻比更大,所以不光顯著的提升了整機的最大起飛重量,同時其機身尺寸可以有所縮減卻不會影響整機的性能。而且前掠翼戰機的天生優勢也減少了戰機的配平阻力,對於戰機實現短距起降更有優勢,對於艦載機而言這種氣動佈局更有優勢。
但是前掠翼戰機的缺點也很明顯,前面說過前掠翼戰機的翼尖升力較大,可以顯著提升整機的氣動升力,但是過強的翼尖升力反而會導致機翼變形形成翼尖上翹,這樣當戰機在高機動迎角狀態下飛行時,過大的機翼升力會導致機翼產生嚴重的扭轉變形,這種不穩定性也被稱為氣動彈性發散現象。再加之由於機翼是金屬結構所以本身是有彈性存在的,這樣在升力發生變化時,前掠翼反而會產生嚴重彈性形變,進而引發機翼反覆震盪,繼而在耦合作用下導致飛機失控甚至解體。要想解決這個問題最直接的方法就是增加機翼的結構強度,但是由此也會大度增加機翼的重量,降低戰機的機動優勢。
不過在現代複合材料發展的今天,解決前掠翼戰機氣動發散問題已經有了方法,這就是用複合材料製造的機翼可以在保持機翼強度的同時大幅度降低機翼的重量,所以從前掠翼戰機本身就要比後掠翼戰機有更多優勢存在的情況下,不排除未來戰機重新採用前掠翼結構的可能。


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