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原来飞机接近音速时，机翼上出现激波，使机翼表面的空气压力发生变化架了。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。