近年来有关前掠翼的研究相当活跃,最具代表性的研究成果是美国的X-29%前掠翼验证机和俄罗斯的第五代战斗机S-37金雕。与后掠翼相比,前掠翼最大的气动优势在于跨音速低阻和高机动性能。据有关专家估算,若F-16战斗机使用前掠翼结构,其转弯角速度可提高14%,作战半径可增大34%,起降距离可缩短35%。前掠翼战斗机机动性比后掠翼高1/3,为什么战斗机很少用前掠翼。
俄S-37金雕试验机
二战中期,采用平直翼的战斗机速度越来越快,最大速度已超过780km/h,相当于声音在空气中传播速度的65%左右(称M数0.65)。然而当速度达到音速(约1250km/h)时,飞机会突然自动俯冲坠地,试飞员随即牺牲。
早期的飞机采用平直翼
这些事故引起整个航空界的重视,有人认为音速是飞机速度的极限,即所谓的“音障”。随着研究的深入,人们开始认识到,当飞机的飞行速度达到高亚音速时,出现压缩性影响,气流经过机翼上表面加速,局部会达到超音速,产生激波和激波诱导的附面层分离,阻力急剧增长,即所谓的阻力发散现象。
后掠翼米格15
它阻碍飞行速度进一步的增长。解决这个问题的办法就是采用斜置翼,以提高阻力发散M数,推迟激波的发生,因为这时的有效马赫数,即垂直机翼前缘的马赫数小于自由流马赫数。最早采用的斜置机翼就是前掠机翼,前掠翼跟后掠翼的特性几乎一样,但前掠翼可以将气流导引到机身内侧,而飞机失速通常是从气流末端开始,因此前掠翼飞机会从机身内侧开始失速,而布置于机翼两端的面还可正常控制,且其力臂较大,因此其控制力矩也较后掠翼长机大,这就是前掠翼飞机不容易失速的原因。
F111变后掠翼是后掠翼的一种
前掠翼的优点是:
(1)失速攻角约为40°,且失速特性好,具有较大的可用升力和良好的大迎角特性。
(2)小攻角时,翼面基本为附着流,前掠翼的阻力与后掠翼相当。随着迎角增大,当翼面附着流状态被打破,翼尖气泡向旋涡发展时,翼表面低压增长缓慢,升力线斜率出现微弱下降,阻力系数增大,翼尖上绕气流受前缘涡影响,形成梢涡,与前缘涡相互钳制,延迟涡的破裂,这样保证了升力的和缓增加或降低。
X-29前掠翼验证机
(3)在中等攻角下,前掠翼即出现根部分离区,并随前掠角及攻角的增大而使分离加剧。由于根部失速使气动效率下降,为改善该区域的流动可以采用大边条或使根部适当后掠,产生局部后掠流场,以疏导根部低能气流同时增加机身升力体面积,提高全机升力特性。
双三角翼是后掠翼的一种
再加上理论上前掠翼具备亚音速阻力小,机动性好等使点,因此前掠翼曾经是航空界的一颗明星。但二战以后大规模采用的却是后掠翼而不是前掠翼,这主要是前掠翼存在两大不足:1、是气动弹性发散,这是一直困扰前掠翼技术得到广泛工程应用的最大障得目前可以通过复合材料的气动弹性剪裁技术进行一定的缓解。2、是气动效率较低,主要原因在于根部气流分离。
俄SR-10前掠翼教练机
近几年来,复合材料弹性剪裁技术的应用,解决了前掠翼气动弹性发散问题,流动技术的控制发展,为控制前掠翼根部流动分离提供了新的途径和可能,同时,鸭式布局的发展也为前掠翼布局流动控制提供了新的方法。像X-29和S-37就是在解决了前掠翼气动弹性发散和根部流动分离的问题后发展起来的新型高效率的气动布局。但是如今的战斗机相当一部分的高机动性来自于矢量控制技术,甚至产生了可控过失速能力的全新能力,前掠翼的优势已不再。
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