机翼外形发展史

机翼外形发展史1903年12月17日，这是一个载入史册的日子，莱特兄弟制造出的第一架依靠自身动力进行载人飞行的飞机“飞行者”1号试飞成功。它采用了一副前翼和一副主机翼，并且都是双翼结构，用麻布蒙皮和木支柱联结而成。一台汽油活塞发动机被固定在主机翼下面的一个翼面之上，机翼后面安装着左右各一副双叶螺旋桨，机尾是一个双翼结构的方向舵，用来操纵飞机的方向，而飞机上下运动则由前翼来操纵。飞机没有起落架和机轮.只有滑橇。起飞时飞机装在滑轨上，用带轮子的小车拉动辅助弹射起飞。驾驶员俯伏在主机翼的下机翼中间拉动操纵绳索的手柄操纵飞机。这次飞行的留空时间只有短短的12秒，飞行距离只有微不足道的36米，但它却是人类历史上第一次有动力、载人、持续、稳定和可操纵的重于空气飞行器的首次成功升空并飞行，从此，人类的航空事业揭开了崭新的一页。100多年来，飞机的发展取得了丰硕的成果，运输机、侦察机、战斗机等各种各样的飞机应运而生，同时随着飞机种类的不同及功能需求的不同，机翼的外形也发生了翻天覆地的变化。在飞机诞生之初，机翼的形状千奇百怪，有的像鸟的翅膀，有的像蝙蝠的黑翼，有的像昆虫的翅膀;有的是单机翼，有的是双机翼。聪明的古人观察出鸟类所以会飞，完全因为那对奇妙的翅膀。于是，好奇的人们开始制造各式各样的翅膀，因此最初飞机的机翼大多数与鸟类的翅膀相似。随后，随着时代的进步，人们的目光不仅仅局限于鸟类，人们吸取桥梁建造方面的经验，把上下机翼通过支柱和张线联成一个桁架梁，增加结构受力高度，以提高机翼刚度，减轻结构重量。这些优点使双翼机成为早期飞机的主要型式。随着飞机速度的不断提高，双机翼支柱和张线的阻力越来越大，成为提高速度的主要障碍。高强度铝合金问世后，人们已有可能制造出结构重量不太大而又能承受大载荷的薄机翼。从20世纪30年代起，双机翼逐渐被单机翼取代。在现代的飞机中，除对载重量和低速性能有特殊要求的小型飞机外，双机翼已不多见。到第二次世界大战时，虽然绝大多数飞机“统一”到单机翼上来，但单机翼的位置又有上单机翼、中单机翼和下单机翼之分，其形状有平直机翼、后掠机翼、三角机翼、梯形机翼、变后掠角机翼、前掠角机翼之别。1945年，英国研制了两架飞机，安装了当时先进的喷气发动机，速度达到音速。但过了不多久，这两架飞机先后在空中解体坠毁。后来人们通过研究才发现空气作用力的总作用点后移超过它本身能承受的强度，所以飞机散架了。后来，用其他飞机做试验飞行时，还发现一个严重的问题，就是机翼上产生激波后，飞机的阻力会急剧增加，比低速飞行时大10倍甚至几十倍，所以即使用喷气式发动机，也很难使飞机超音速。当时把这种困难叫做“音障”。为了解决机翼影响飞行速度的问题，许多国家都在研制新型机翼。德国人发现把飞机的机翼做成向后斜的形式，像燕子的翅膀，可以延迟“激波”的产生，减小由于激波引起的阻力，也可以缓和飞机接近音速时自动俯冲的不稳定现象。这种形状的机翼被称为后掠翼，后掠翼是机翼设计的一种型态，特指机翼沿着翼展方向的轴线与机身具有一个向后的角度，即掠角为锐角。机翼的后掠程度由后掠角大小来进行表示。后掠翼是平直机翼发展而来的，适用于较高的飞行速度，气动特点为可增大机翼的临界速度，并减小超音速飞行时的阻力。1948年，美国把后掠机翼应用在F-86战斗机上，苏联也于40年代末期，研制出带后掠翼的喷气式米格-15歼击机。但是，后来进一步研究表明，为了超音速飞行，后掠翼并不是惟一可用的形式。很薄的梯形和三角形机翼，对超音速飞行也很合适。所以后来美国的SR-71飞机和苏联的米格-25飞机的机翼外形就大不相同。SR-71飞机使用的是三角形机翼，而米格-25飞机是后掠翼。但这两种飞机的性能却比较接近。三角翼所属现代词，指的是平面形状呈三角形的机翼。为使飞机能够更高速的飞行，必须使飞机在飞行时能获得更佳的性能，因为机翼为飞机的主升力面，飞机在高速飞行时，当气流流经机翼表面后，在机翼后缘所产生的紊流相当严重，而紊流会减低飞机机翼所产生的升力，进而降低操控性能，故藉由风洞的测试，设计了三角形机翼的无尾机翼，将机翼与水平面合为一体，称为三角翼飞机，多用於战斗机，但有些是使用双三角翼，即是机翼和尾翼均为三角形的翼型。但是三角翼没有一统天下。超声速飞行时，机翼只要“躲”在激波锥的锋面之后，就可以避免产生激波阻力。也就是说，翼展较短的机翼也同样可以达到降阻的作用。为了尽量增加翼面积以保证提供足够的升力，机翼的弦长可以增加，甚至把平直的后缘前掠，形成粗短的梯形翼。后掠翼靠后掠角减阻，但大后掠角带来较大的展向分量，造成升力损失，尤其在低速的时候，大后掠角使很大一部分迎面气流都“溜肩”损失掉了，造成低速时升力不足的问题，所以大后掠翼飞机的起飞、着陆速度一般比较高，机动性不够好。三角翼也有同样的问题。相比之下，梯形翼不靠后掠角减阻，所以机翼前缘的后掠角可以较小，在性质上更加接近同样翼展下的平直翼，升力较好。不过梯形翼的翼展受到限制，所以最后结果并不一定优于大后掠翼或者三角翼。和三角翼相比，梯形翼的使用比较少，但还是有一些忠实的信徒，尤其是诺斯罗普，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已经超出传统梯形翼，而是介于梯形翼和三角翼之间了。然而，大后掠翼、三角翼、梯形翼的起飞、着陆速度和机动性都不及平直翼，但平直翼的高速飞行阻力太大，那通过机械手段，使机翼的后掠角可以在飞行中按需要随意改变，岂不两全其美了？这就是变后掠翼的由来。对变后掠翼的研究，始于40年代，但直到60年代，才设计出实用的变后掠翼飞机。一般的变后掠翼的内翼段是固定的，外翼同内翼用铰链轴连接，通过液压助力器操纵外翼前后转动，以改变外翼段的后擦角和整个机翼的展弦比。变后掠翼的缺点是，结构和操纵系统复杂，重量较大，不大适合轻型飞机使用。变后掠翼的概念看似简单，实现起来问题一大堆。首先有飞行稳定性的问题。随着机翼后掠角的增加，升力中心逐步后移，很快就有升力中心远离重心的问题，即使超级巨大的平尾能压住，也将带来巨大的阻力，得不偿失。为了减小升力中心的移动，变后掠翼只能一分两段，铰链设置在固定的内段外侧，而活动的外段减小，牺牲变后掠翼的效果来简化工程设计。就像苏-17为了最大限度地减小飞行稳定性问题，活动段只占翼展的一半；F-14的活动段比例大一点，但依然有一个很大的固定段。变后掠翼还有很多具体问题：翼下起落架不容易找地方生根，活动段内无法设计翼内油箱使总的翼内油箱空间大减，翼下武器挂架需要随活动段同步转动才能保持挂载的武器指向前方，加上变后掠翼固有的机械问题，变后掠翼最后会变的很重，极大地抵消了变后掠翼的气动优势。在60-70年代昙花一现之后，变后掠翼现在很少采用了，1981年首飞的图-160是最后一种新投产的变后掠翼飞机。之后，在俄罗斯茹可夫斯基飞行试验中心,集俄罗斯航空工业近年来的研究成果和最新技术于一身的一37战斗机莫斯科航展上惊鸿一现,激起了世界航空界的浓厚兴趣,同时也揭起了俄罗斯开发前掠翼战斗机的神秘面纱的一角..一37战斗机可以说是世界上第一种真正的前掠翼战斗机,其特点是机翼前掠,采用非传统的三翼面鸭式气动布局,双垂尾向外倾斜,留有一对水平尾翼.一37战斗机在亚音速飞行时,具有极好的气动性能和大迎角状态下的机动性能,适于作过失速机动.不过,从概念上来说,前掠翼战斗机并非是一项全新的设计概念,它应该说是早期胎死腹中;而后又由于新技术的发展而起死回生的设计概念的典型代表.其实，早在第二次世界大战期间,德国的飞机设计师们就已经感到,飞机在高亚音速机动时,前掠翼飞机在抑制空气压缩效应方面,似乎要明显优于后掠翼战斗机(后掠翼战斗机存在着翼尖失速问题).而且,后掠翼战斗机在结构设计方面还有很多优点,如当时德国设计制造的容克一87轰炸机,采用了具有15度前掠角的前掠机翼,这一设计使机翼与机体结构的衔接避开了弹舱位置,从弹舱的后面通过.又如1964年首飞的德国一320汉莎商务机,其前掠翼设计使机翼衔接处位于增压式座舱的后面,从而非常轻松地与机体融合在一起.不过,必须指出的是,以上两种飞机机翼的前掠角都被严格地限制在15度以内.然而,尽管人们开始认识到前掠翼飞机存在着许多潜在的优点,可是前掠翼飞机并没有得到全面发展,反而夭折在了襁褓之中,这是由于在当时还有许多技术上的难点无法克服。直到1984年,第一架前掠翼试验飞机一29在美国爱德华空军基地正式升空,从1984年12月14日到1992年1月18日,两架一29验证机先后进行了成功的试验飞行.采用复合材料后,前掠机翼的优点马上就发挥出来了,它不仅具有后掠机翼提高临界马赫数,降低波阻的优点,还从根本上克服了翼尖失速的缺点.加上布局的特点,使它具有下列主要优点:一是升力特性好.由于前掠机翼没有翼尖失速问题,因此,大部分机翼的潜力能充分发挥,产生出最大升为.于是,低速性能尤其是起飞着陆性能远远优于后掠翼飞机,能在更短的跑道上起降.二是升阻比高.前掠机翼不仅有用升力大,而且升力展向分布较好,即使在大迎角下,展向仍能保持椭圆分布,因此,诱导阻力小,升阻比高.升阻比的提高,增大了飞机的最大航程和作战半径.三是大迎角时操纵性好.前掠机翼克服了翼尖失速的缺点后,即使在大迎角下,仍能保证副翼有良好的操纵性能.四是采用前掠机翼的飞机便于采用近距耦合鸭式布局.此外,采用前掠机翼的飞机还有一些其他优点,例如,配平阻力小,超音速航程大,具有抗螺旋特性,飞机布局灵活性大等.目前,最新型的前掠翼飞机就是俄罗斯苏霍伊设计局设计的一37前掠翼战斗机.一37于1997年9月23日进行首飞。还有必不可少复合机翼——边条翼，一些第四代高机动战斗机（俄罗斯标准，没过于2009基本默认使用该划分标准体系）采用了这种机翼。在中等后掠角（后掠角25度～45度左右）的机翼根部前缘处，加装一后掠角很大的细长翼（后掠角65度～85度）所形成的复合机翼，称为边条翼。主要用在展弦比为3～4的薄机翼上，它可改善机翼在大迎角时的气动特性，特别是升力特性。边条翼是50年代中期出现的一种新型机翼，一些第三代高机动战斗机采用了这种机翼。在边条翼中，原后掠翼称为基本翼，附加的细长前翼部分称为边条。边条翼的气动特点是，在亚、跨音速范围内，当迎角不大时，气流就从边条前缘分离，形成一个稳定的前缘脱体涡，在前缘脱体涡的诱导作用下，不但可使基本翼内翼段的升力有较大幅度的增加，还使外翼段的气流受到控制，在一定的迎角范围内不发生无规则的分离，从而提高了机翼的临界迎角和抖振边界，保证飞机具有良好的亚、跨音速气动特性。在超音速状态下，由于加装边条后，使内翼段部分的相对厚度变小，机翼的等效后掠角增大，可明显降低激波阻力。另外，边条的存在，还可使飞机在跨音速和超音速飞行时的全机焦点后移量减小，导致飞机的配平阻力降低。因此，这种机翼也具有良好的超音速气动特性。边条翼的缺点是，在小迎角范围内，其升阻特性不如无边条的基本翼好；它的力矩特性也不理想，力矩曲线随迎角的变化呈非线性。在亚声速下，其失速的本质是迎角过大，导致脱体涡破裂。与一般大展弦比机翼失速原因不一样。并且，边条翼的发展经历了三个阶段：一，初始阶段，这时边条翼不管是协和客机的S形，F18的波浪形.还是苏二七的三角形.都是后掠角很大，很细长.面积相当小，因为当时对边条的研究还不够透彻.所以不敢过于冒进.二，以F18EF哥特式大边条，为代表.边条面积大，拉出的脱体涡流强劲.但这种大边条不适合高速.一般在2马赫以下.所以在四代重型机中我们没有找到他的影子.三，以F22为代表的.边条与机身，进气道融为一体.在F22上我们找不到传统意义上的边条翼.可他的进气口上沿，进气道与上表面之间的棱就行使着边条的作用.却没有多付出一点的重量代价.的确是非常优秀的设计.由此，在100多年的发展中，飞机翼型发生了从双机翼到平直机翼、后掠机翼、三角机翼、梯形机翼、变后掠角机翼、前掠角机翼和边条翼各种类型多样化并存的转变。