飛機翅膀都是平直的嗎?當然不是,有些你可能聞所未聞,水桶狀的都有

俗話說,百人百態,千人千面。飛機和人一樣,也是各式各樣的,其中最引人注目的差別就是不同形狀的機翼。

飞机翅膀都是平直的吗?当然不是,有些你可能闻所未闻,水桶状的都有

說起來,飛機的奧妙就在於機翼。從萊特兄弟到現在,除了航空動力外,幾乎每一次航空技術的重大突破都離不開在機翼上作文章。

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1.平直翼:

最簡單的機翼是平直翼,機翼前後緣和機身垂直,機翼從裡到外一樣寬。這樣的機翼結構簡單,製造容易,產生升力的效率較高,但阻力也較大。升力的力臂使得翼根的受力很是不利。

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最簡單的機翼上平直翼

為了均衡升力的分佈,並改善機翼的受力設計和降低重量,平直翼可以帶一點錐度,從裡到外逐漸變窄,改善升力分佈,是更多的升力產生在靠近翼根的部位,縮短力臂,降低翼根應力。低速、簡單的小飛機可以用簡單平直翼以降低製造成本,但稍微有點追求的平直翼飛機大多帶一定的錐度。

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C-130這樣帶一點錐度的機翼也算平直翼

帶錐度的平直翼可以前緣略帶後掠,也可以後緣略帶前掠,兩者在氣動上有一點差別,但不改變都是平直翼的本質。當速度大幅度提高後,平直翼阻力大的缺點就比較明顯,尤其在速度接近聲速的時候。

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錐度可以使前緣略帶後掠,像DC-3;

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也可以使後緣略帶前掠,像C-130

德國人阿道夫布斯曼在 30 年代就提出了後掠翼,只是沒有引起當時人們的重視而已。

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後掠翼大量使用在跨聲速(0.8-1.2 倍聲速範圍內)和高亞聲速飛機上,像殲-6 戰鬥機、各種波音和空客客機。

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米格-15和F-86是第一代採用後掠翼的戰鬥機

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英國“閃電”

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美國 F-100

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蘇聯米格-19 則是第一代後掠翼的超聲速戰鬥機

2.三角翼:

後掠翼的製造比平直翼要麻煩,翼根不僅要承受機身重量帶來的應力,還要機翼上揚造成的向前扭轉的應力,需要大大加強結構,帶來較大的重量。但如果把後掠翼“鏤空”的後半填起來,機翼後緣拉直,變成三角翼,翼根的受力情況就接近於平直翼,容易處理多了。

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協和式飛機

在同樣翼展下,三角翼的翼面積更大,升力更大;翼根更長,結構上需要的加強越少,同樣翼面積時重量更輕。另一方面,機翼的阻力特徵由相對厚度決定,也就是機翼的實際厚度和絃長(機翼前後緣之間的距離)之比。實際機翼的厚度和絃長隨不同翼展位置而變化,所以一般取 1/4 翼展處的厚度和絃長之比。三角翼的翼弦較長,在相對厚度不變的情況下,實際厚度較厚,既簡化結構設計和製造,有利於減重;又增加翼內容積,有利於增加機內燃油容量。

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美國F-106

把後掠翼機翼後緣的“鏤空”部分填補起來,就成為三角翼

50 年代後,超聲速飛機採用大後掠翼的越來越少了,大多采用三角翼。殲-8II、殲-10 都是三角翼,歐洲的“颱風”、“陣風”、“鷹獅”也是三角翼。

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殲-8IIM

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J-10A

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颱風

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陣風

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當然還有三哥的LCA

但是三角翼沒有一統天下。超聲速飛行時,機翼只要“躲”在激波錐的鋒面之後,就可以避免產生激波阻力。也就是說,翼展較短的機翼也同樣可以達到降阻的作用。為了儘量增加翼面積以保證提供足夠的升力,機翼的弦長可以增加,甚至把平直的後緣前掠,形成粗短的梯形翼。後掠翼靠後掠角減阻,但大後掠角帶來較大的展向分量,造成升力損失,尤其在低速的時候,大後掠角使很大一部分迎面氣流都“溜肩”損失掉了,造成低速時升力不足的問題,所以大後掠翼飛機的起飛、著陸速度一般比較高,機動性不夠好。

三角翼也有同樣的問題。相比之下,梯形翼不靠後掠角減阻,所以機翼前緣的後掠角可以較小,在性質上更加接近同樣翼展下的平直翼,升力較好。不過梯形翼的翼展受到限制,所以最後結果並不一定優於大後掠翼或者三角翼。

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美國F-5

但採用短粗的梯形翼也可以達到超聲速減阻的作用

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和三角翼相比,梯形翼的使用比較少,但還是有一些忠實的信徒,尤其是諾斯羅普,F-5 和 F-18 都是梯形翼。洛克希德的 F-104 也是梯形翼,但 F-22 已經超出傳統梯形翼,而是介於梯形翼和三角翼之間了。

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F18

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F22

3.變後掠翼:

大後掠翼、三角翼、梯形翼的起飛、著陸速度和機動性都不及平直翼,但平直翼的高速飛行阻力太大,那通過機械手段,使機翼的後掠角可以在飛行中按需要隨意改變,豈不兩全其美?這就是變後掠翼的由來。

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變後掠翼的概念看似簡單,實現起來問題一大堆。首先有飛行穩定性的問題。隨著機翼後掠角的增加,升力中心逐步後移,很快就有升力中心遠離重心的問題,即使超級巨大的平尾能壓住,也將帶來巨大的阻力,得不償失。為了減小升力中心的移動,變後掠翼只能一分兩段,鉸鏈設置在固定的內段外側,而活動的外段減小,犧牲變後掠翼的效果來簡化工程設計。

蘇-17 為了最大限度地減小飛行穩定性問題,活動段只佔翼展的一半;F-14 的活動段比例大一點,但依然有一個很大的固定段。變後掠翼還有很多具體問題:翼下起落架不容易找地方生根,活動段內無法設計翼內油箱使總的翼內油箱空間大減,翼下武器掛架需要隨活動段同步轉動才能保持掛載的武器指向前方,加上變後掠翼固有的機械問題,變後掠翼最後會變的很重,極大地抵消了變後掠翼的氣動優勢。

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F14

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在 60-70 年代曇花一現之後,變後掠翼現在很少採用了,1981 年首飛的圖-160 是最後一種新投產的變後掠翼飛機。

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俄羅斯的圖-160是世界上最大的變後掠翼飛機,也是最後一種變後掠翼飛機

4.前掠翼:

大後掠翼和三角翼通過後掠角減阻,但空氣其實只對這個斜掠的角度感興趣,對機翼是後掠還是前掠是不在乎的。那前掠翼有什麼好處呢?前掠翼上氣流的展向流動是向內的,機體將最終自然阻止展向流動,提高機翼產生升力的效率。

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邪惡的SU-47

更重要的是,前掠翼極大地推遲了翼尖失速的問題。空氣是有粘性的,這個粘性在機翼表面形成一個邊界層(也稱附面層),在邊界層內氣流呆滯,產生升力的效果受到損失。在大迎角飛行時,氣流沿後掠翼的展向流動,導致邊界層向翼尖堆積,造成翼尖首先失速,引起升力中心向翼根方向移動,造成機頭進一步上揚,最終導致整個機翼失速。

前掠翼則不同,翼尖處於“乾淨”的氣流中,邊界層堆積發生在翼根,升力損失小,而且副翼保持有效的橫滾控制。前掠翼要到差不多整個機翼都失速的時候,才有翼尖失速的問題,比後掠翼進入失速要晚很多,有利於增強機動性。

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空氣只對機翼的“掠”感興趣,前掠還是後掠並不重要,所以機翼也可以前掠,這是俄羅斯的 Su-37 研究機

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美國X-29是另一種前掠翼研究機

不過前掠翼也有一個本質缺陷:就是氣動彈性發散問題。機翼不是剛性的,是有一定的彈性的。

5.斜翼:

後掠翼和前掠翼都是對稱的,要麼兩側一起後掠,要麼兩側一起前掠。但從減阻的角度來說,沒有理由不可以一側前掠,一側後掠,形成不對稱的斜翼。

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既然前掠、後掠都沒有關係,那一邊前掠、一邊後掠也是可以的,這就是斜翼,這是美國的AD-1研究機

和後掠翼、前掠翼相比,斜翼沿機身軸線的總橫截面積分佈比較均勻,有利於滿足跨聲速面積律,降低跨聲速阻力。

固定的斜翼有優越性,但變後掠的斜翼才是閃光點。

傳統的變後掠翼很為鉸鏈位置而苦惱,但變後掠的斜翼的鉸鏈只有一個理想位置:正中間,其他位置都是畫蛇添足。由於兩側的重量是平衡的,變後掠的斜翼在機械設計上還簡單了一點,這就好比兩手向外平伸直接提桶和肩上挑擔的差別。在氣動上,斜掠角的變化也使升力中心的移動大體不變,簡化了飛行穩定性的設計。

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斜翼的生命力在於和飛翼結合,還可以自然是實現可變後掠角

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中國民航大學設計的 平行四邊形變掠斜翼飛機

6.飛翼:

斜翼意外地解決了變後掠翼的難題,但斜翼更能體現優越性的地方是飛翼。

傳統飛機的機翼和機身是分開的,機翼產生升力,機身裝載人員和貨物。但機身不產生升力,是“死重”,這個問題使翼根的受力很高,從結構上講效率不高。最好的辦法是所有的載重都在機翼內,那樣結構強度要求最低。從理論上講,要是在機翼上每一點升力和重力都正好抵消,用紙做飛機都可以,最大限度地降低結構重量。當然這在實際上這不可能,還沒有上天,重量已經把紙蒙皮壓穿了。不過這說明,沒有機身、只有機翼的飛翼的大方向正確。

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飛翼用機翼結構承載載荷,最大限度地提高了結構的氣動效率,免除了翼根應力問題,這是美國的B-2

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利劍無人機

7.橢圓形機翼:

如果不產生推力,飛機傳遞到空氣中的一切能量都形成阻力,翼尖渦流就是飛行阻力的一個很重要的部分。合理設計升力分佈,使靠近翼尖的地方較少產生升力,翼尖繞流產生的阻力就自然減小,橢圓形機翼就是這麼一個思路,二戰中英國“噴火”式戰鬥機那著名的橢圓形機翼就是這麼來的。

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英國“噴火”戰鬥機那著名的

橢圓形機翼就是按照減少翼尖繞流和最優升力分佈設計的

橢圓翼的一個自然延伸就是圓形翼。圓形翼不僅使升力產生的部位向翼根集中,還更加符合面積律,尤其是在沒有機身的圓形飛翼的情況下。這種飛盤不僅在理論上適合從懸停到超聲速的所有速度範圍,還是科幻人士的最愛,是飛機設計中難以釋懷的一個理想設計,不過飛行控制的問題比較難解決,不僅控制力臂很短,發動機、噴口、控制面的設計都要重新考慮。

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更加極端的當然就是

飛碟,這是加拿大Avrocar,這是為美國空軍設計的,所以是美國空軍塗裝

8.翼梢小翼:

解決翼尖繞流的另一個方法是用翼梢小翼,這是豎立在翼尖的垂直小翼,直接阻止翼尖繞流。在氣動上,翼梢小翼相當於延長了有效翼展,增加了升力。設計得當的話,翼梢小翼可以達到超過實際“翼展”的有效翼展,但翼梢小翼也增加了阻力和重量,還帶來了翼面轉接處的氣動干擾阻力。

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不用橢圓形機翼或者飛碟的話,翼梢小翼可以有效地降低翼尖繞流的影響

翼梢小翼可以同時往上下延伸,也可以只往上延伸,兩者之間的選取自然是增升和減重、減阻之間的權衡。在老設計挖潛的情況下,或者在翼展受到機場條件限制情況下,翼梢小翼是很有效的作法。但全新設計機翼時,增加翼展常常更加簡潔有效。

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翼梢小翼不光有向上翻的,還可以向下垂,這是A320的小翼

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翼梢小翼也是有翼尖繞流的,把小翼頂端折起來,就形成了C形翼

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這是C形翼客機的想象圖

9.矩形翼:

如果把 C 形翼向內的水平延伸部分連接起來,就形成了閉合的矩形翼。從某種意義上說,這就是把早年的雙翼在翼尖處用端板連接起來。即使不算端板相當於翼梢小翼的增升作用,雙翼的翼面積比單翼大一倍,自然提供更大的升力。但上下翼面在機身和兩翼翼尖三點連接,在受力上比懸臂的單翼和雙翼更加有利,減少了為加強結構所帶來的重量,所以重量上最後的增加並不成倍。但阻力增加了,不僅由於增大的迎風阻力和溼面積帶來的磨擦阻力,還有繁多的氣動面之間的交互阻力。

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把C形翼的頂端連接起來,就成為矩形翼,這已經有點回歸雙翼的意思了

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矩形翼的上下翼還可以一個前掠,一個後掠,這就是所謂的搭接翼了,也可以稱為菱形翼

10.搭接翼:

矩形翼的上下機翼可以是同樣的平面形狀,也可以有所不同,其中一個比較有意思的特例是所謂搭接翼。

搭接翼的下機翼是安裝在機身上的常規的後掠翼,上機翼是安裝在垂尾頂上、帶較大下反(也就是倒 V 形)的前掠翼,翼梢小翼取消,上下機翼在翼尖直接搭接,或者在下機翼的翼展一半的中部某處搭接。搭接翼的上機翼也產生升力,並具有前掠翼的一切好處,但還有一些額外的好處。

由於上機翼的翼尖和下機翼搭接,翼尖的氣動彈性發散不再成為問題,大大簡化了前掠的上機翼的設計和製造;後掠翼翼根不僅承受向上的升力,還承受向後的阻力,搭接的上機翼正好頂住下機翼,使受力情況大大改善,有利於減重。另外,上機翼和下機翼搭接後,全機在縱向上總的橫截面積分佈更加平順,而沒有後掠翼翼尖之後出現截面積劇減的不連續,還有利於降低跨聲速阻力。

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搭接翼的組合就多了,可以搭接到垂尾頂端

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也可以在機身上搭接。用於運輸機,可以同時兼顧上單翼翼下淨空大,簡易跑道起飛著陸是發動機不易吸進沙土的好處,也有下單翼起落架短、橫距寬大的好處

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還可以從機翼中段搭接

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甚至搭接了再用小翼

11.環形翼:

翼梢小翼、C 形翼、矩形翼、搭接翼都已經超出了傳統的平面翼範疇,古老的雙翼(還有三翼)也是一樣,不過最特別的非平面翼或許是環形翼。

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但機翼也可以是環形的,這是法國C-450研究機

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C-450成功地飛起來過

環形翼的翼展不容易增加,否則將成為大而無當的巨大圓筒,在設計和製造上帶來很多陌生的問題;水平起落時起落架的設計也很困難,人員和貨物的裝卸困難就不提了。

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不過機身不在環形翼的圓心,而在圓弧的底部,可以避免很多這樣的問題。要是機體不放在環形的圓心,要損失一些環形翼的優點,但也避免了很多實用中的問題,這是環形翼客機的構想

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這是洛克希德的環形翼客機的概念,把垂尾、環形翼、搭接翼的概念都融合到一起了

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矩形翼和環形翼之間當然就是橢圓形翼

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橢圓形翼也可以用於客機

12.串列翼:

雙翼有兩個翼面,但這兩個翼面既可以一上一下,也可以一前一後,也就是串列翼。串列翼可以看作極大加大的鴨翼,但鴨翼主要用於產生配平和俯仰控制力矩,而串列翼的前翼主要是用於產生升力的。串列翼通常在上下方向也錯開一點,通常是前翼下置,後翼上置,這樣前翼的下洗氣流不至於對後翼造成不利影響。

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機翼可以一上一下,也就可以一前一後,這就是

串列翼

如果設計得當的話,也可以有意識地利用前翼的下洗氣流為後機翼上表面的氣流加速,增強後翼的升力,這樣的話,前翼就要上置,而後翼下置。和上下的雙翼相比,串列翼的兩個機翼大小、形狀都比較自由,前後間距也比較自由,既可以拉開,使兩個機翼之間的不利氣動干擾也減小,也可以拉近,有意識地利用增升效應。

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前下後上的串列翼可以避開下洗氣流的影響,最大限度地避免兩個機翼的交互作用

最主要的是,串列翼像抬轎子一樣,一前一後產生升力,而重心居於兩者之間,很容易在產生升力的同時維持飛機的平衡,避免了配平阻力。

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串列翼最重要的特點是前後機翼都產生升力,這是與鴨翼最大的不同

相比之下,雙翼機或者常規的單翼機都像騎獨輪車,重心和升力中心之間的相對位置必須小心控制。串列翼的缺點也是重量和溼面積引起的阻力,但在低速飛機上這個問題不大,魯坦的巡航時間達 18 小時的超長航時“海神之子”(也稱“普羅提烏斯”)飛機就是串列翼的。

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魯坦的“海神之子”超長航時飛機也是串列翼

qinghangwang

(旋翼機、固定翼、直升機相關圖紙、資料)

中國旋翼機網站輕航之家手機版論壇


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