飞机的气动布局,是决定飞机空气动力学性能的部件支配方案。在飞机发展的进程中,为了追求不同的翱翔性能,蜕变出了各式各样的气动布局。同时由于各种气动布局的固有特点,也能为判断翱翔性能供应一定参考。
常规布局影响飞机气念头能的成分有很多,但作为产生空气动力的紧张部件,飞机各个翼面的特性和相互间的位置关系是最关键的。最常见的便是常规布局,也有叫“正常布局”,特点便是:机身在中间,主翼分两边,尾翼有三片,全都放后面。这种布局虽然涌现得不是最早,但运用得却最多、范围也最广,因此技能上相对更加成熟,也最为大家所熟习,可以作为理解其他气动布局的根本。
民航客机大多采取常规布局
常规布局的机体,由机身、机翼、尾翼组成,尾翼又分为水平尾翼和垂尾尾翼,简称平尾和垂尾。这些部件在外不雅观上基本一览无余很好区分。这种布局从飞机发明不久就开始利用,并且始终霸占主导地位。在常规布局上,机身紧张起到承载重量、连接其他部件的浸染,机翼紧张产生升力并供应横向安定性、垂尾供应航向安定性(也叫方向安定性),平翼供应俯仰安定性,在各个翼面的后面,一样平常还装有为改变飞机状态而设置的各种活动面。
墨林亲手P的常规布局示意图
安定性也叫稳定性,是飞机最为主要的特性之一,指的是飞机在翱翔中,受到外界滋扰、导致姿态发生变革时、自动规复到原来翱翔状态的能力,紧张由各个翼面上气动力的大小、以及力的浸染点与整机重心的间隔来决定。例如一阵突风,导致飞机机头倾向左侧,这时垂尾两面的气流状况随之发生改变,迎风一壁阻力会增大,从而在垂尾产生一个使机尾向左、机头向右偏转力矩,飞机会自动回到原来的航向上,这便是垂尾产生的航向安定性。如果一架飞机是不安定的,那么受到一点点气流就会越来越偏离原来的翱翔状态,根本无法进行持续稳定的翱翔,翱翔员必须时候保持对飞机的不断调度和改动,累去世倒是事小,关键是速率稍大就根本来不及改动,分分钟机毁人亡。
常规布局在办理安定性方面相比拟较随意马虎,因而时至今日仍旧是各种飞机的主流布局。不过即便如此,飞机的安定性也须要在设计时就进行详细打算和大量风洞试验,乃至有时候在试飞中也可能会涌现安定性不敷(或过强、或不折衷)等问题,须要对翼面和重心等进行调度,严重的乃至会把设计方案推倒重来。
进行整机风洞试验的Bf.109
一些变革
后来为了知足一些其他哀求,逐步在常规布局中有一些变革,比较常见的有多垂尾。由于安定性的产生须要翼面有足够大面积来产生力,如果航向安定性不敷一样平常就要加大垂尾面积,但增加垂尾面积一样平常又要加大高度,而高度太高了也有不好的地方,因此一些飞机就采取了双垂尾方案——一片不足两片来凑,总高度也就降下来了。有时候别的成分也会影响垂尾设计,像E-2预警机由于背上有个大圆盘会扰乱垂气流,以是设置了4片高度很低的垂尾,只管即便避开机背雷达罩导致的气流影响;A-5攻击机由于垂尾太高影响了进航母机库,以是还能折起来。当然增加安定性也可以把垂尾向后挪一些(增加力矩),但那样一定延长机身,可能会带来重心后移、构造增重等其他问题,详细如何处理要听总设计师的。
米格-29和F/A-18E的双垂尾
E-2的四垂尾
A-5的垂尾太高,可以半数截(最前面一架)
全动平尾、差动平尾是另一个情形,这是由于随着飞机速率的提高,原来在平尾后面的那一小块升降舵,每每不能产生足够的空气动力去快速改变翱翔状态,这对付一些强调机动性的飞机,如战斗机、攻击机等是很不利的,于是就不断加大升降舵,加大到一定程度,全体平尾都成了活动的升降舵,这便是全动平尾。考虑到副翼有时也不能产生足够的空气动力使飞机快速滚转,那就让平尾在旁边同步偏转的同时,也能像副翼一样旁边错开偏转,这就成了差动平尾,为的便是增加滚转力矩。实际上便是让传统的固定平尾具备了升降舵和副翼的功能,这在当代战斗机上基本已经成了标配。
F/A-18E的平尾,可以看出是一个整体
翻滚的歼-16,可见平尾迁徙改变角度不同
还有一种情形是前缘襟翼、襟副翼和机动襟翼。前面提到了襟翼和副翼。襟翼是用于改变机翼翼型的,紧张用于在低速时保持足够的升力,特殊是起降时,一样平常是在机翼后缘内侧靠近机身处,后来把机翼前缘也弄一块活动的,和后缘一起折衷偏转,这样一来翼型改变的幅度更大,运用的速率范围更宽了,前面的就叫前缘襟翼。
“袅龙”的前缘襟翼
副翼按说该当叫做滚转舵才对,它紧张因此差动形式使旁边两边升力不对称以产生滚转力矩,使得飞机发生滚转机动,因此装在机翼外侧以加大力臂长度,从而以较小的面积得到较大的力矩。这样一来,襟翼副翼各占去一部分面积,同时还须要两套不同的传动和掌握机构。后来考虑到襟翼一样平常只在起飞和降落时利用,而副翼紧张在机动翱翔中利用、起降阶段动作量并不大,因此就干脆把襟翼和副翼弄成一个整体,既加大了襟翼面积,又加大了副翼面积,这就成了襟副翼。
机动襟翼紧张也是运用在一些强调机动性的战斗机上,一样平常正常翱翔时,飞机的襟翼是收起,和机翼贴在一起以减小翱翔阻力,但战斗机在进行剧烈机动时,如果让襟翼能跟随翱翔状态自动偏转,就可以适应更多的翱翔状态、动作可以更剧烈一些,这便是机动襟翼。当代战斗机的襟翼一样平常都设计成机动襟翼,并且由打算机自动掌握,除非是卡住了或者飞掉了,否则一样平常翱翔员并不须要过多关注。
正在降落的F-18,可见襟副翼同步偏转
没有尾巴的鸭子
相对一样平常飞机而言,战斗机的利用条件最为严厉,对气动布局的哀求也最高。以是很多“不常规”的布局都是从战斗机开始的(专门的技能验证机除外)。战斗机速率的提高导致产生了后掠翼,再进一步就成了三角翼,对三角翼来说,支配在机翼后缘的襟翼、副翼越来越靠近平尾。刚才说了平尾可以差动以补充滚转力矩,如果让副翼和襟翼也能同步高下偏转,同样可以实现俯仰操纵,平尾和升降舵就可以去掉了,于是就有了无尾布局,以是无尾布局每每都和三角翼连在一起说的。
这里所说的无尾布局一样平常是指的无平尾——垂尾还是有的。垂尾也没有的飞机一样平常是指飞翼布局,留到后面再说。无尾布局中三角翼后缘一贯延伸到机身的末了面(也可以把机身缩短),在减轻重量、增大机翼构造强度、面积和内部空间等同时,还能进一步增大前缘后掠角,这对付提高翱翔速率是很有帮助的,特殊是早期发动机推力不大的时候,为了减小超音速翱翔阻力可谓想尽了办法。最早采取无尾布局的实在是二战期间德国研制的Me163火箭动力战斗机,后来英国人在“火神”轰炸机的研制中也采取了这种布局,而让无尾三角翼布局发扬光大的则是法国的达索,从50年代的第一代“幻影”,一贯到后来的“幻影”2000和再后来的阵风,除了中间有一个不太成功的“幻影”F1以外,全部采取的是无尾三角翼布局。
“幻影”系列标志性的无尾三角翼
再回到那个平尾,放在飞机末了的平尾,实在是利用“撬”的方法来保持飞机纵向的平衡和实现对飞机的俯仰操纵,这从整体上来说相称于减小了整机升力,也便是平尾上产生的实际上是“负升力”。有人就想着把平尾放到前面、和主机翼一起产生正升力“抬”着飞机飞,那样可以大大减小平尾面积、也可以减轻主机翼的包袱,于是就有了鸭式布局,放在前面的“平尾”也就被叫成了鸭翼。最早成功运用鸭式布局的是瑞典的Saab37”雷”式战斗机,那副大鸭翼很有个性,不久前刚刚聊这个飞机,有兴趣的可以戳下链接进去看看。
聊聊瑞典Saab37:思路决定出路,造好飞机的诀窍是不按套路
Saab37也采取了无尾三角翼布局,外加上了一对大鸭翼
要提及来,鸭翼的浸染紧张有两个,一个是在大迎角翱翔时可以产生“脱体涡”,在条件得当时可以有效改进主机翼上表面的气流形态,从而延缓气流分离、增大飞机的可用迎角等等,这种情形下并不须要鸭翼有太大的动作,乃至固定的都可以,但与主机翼的间隔必须得当,范例像以色列的“幼狮”,实在幻影2000、包括幻影Ⅲ的后期改型,主机翼前面也有一对固定的扰流片,从事理上看也相称于两块小鸭翼,或者说这样固定的鸭翼实在就相称于两个扰流片。
幼狮的鸭翼是固定的
幻影2000位于进气口后面的小翼
第二种是利用鸭翼对飞机进行俯仰操控,这种情形就必须让鸭翼动起来,并与主机翼拉开一定间隔,以便形成更大的操纵力矩,像欧洲几国联合研制的“台风”便是这样,鸭翼离机身重心比较远,紧张用于操纵,鸭翼和主翼之间则有专门的扰流片来产生涡流。当然也有些鸭翼兼具两种功能,既能产生涡流也能产生操纵力矩。详细如何权衡选择,紧张取决于飞机的性能哀求和研发实力。
“台风”的鸭翼距主机翼相对较远,紧张用于俯仰操纵
话说鸭式布局这个名字也不知道是谁给起的,实在鸭和雁也差不到哪里去,叫雁式多好听,还能编队翱翔呢,而且彷佛天鹅也是雁的一种。
翱翔中的大雁
大雁,采取可变形状活动上单翼、无垂尾、翼身一体化布局,翼梢有多片开裂式扰流片,采取两点可收放踏板式起落架,上亿年前原型鸟首飞成功,发展到本日有多个改型,总产量不详。鸟上装一台生物燃料有灵活员机,详细功率根据个体发育情形而定;采取生物磁场导航+目视导航系统,最大翱翔速率约90千米/小时,最大翱翔高度约2000米,最大单趟航程约400千米,转场航程不知道,反正挺长的……
有嫌麻烦去掉尾巴的,当然也有不嫌麻烦往上加的。这就成了三翼面布局——在常规布局的根本上再增加一对鸭翼,按说可以兼具常规布局和鸭式布局的优点,但目前可能是由于研究的不是很充分,以是运用的并不多,紧张是苏-27系列中的几个改型。
苏-30MKI的三翼面
关于鸭式布局,有一个常见的误区。前面说过鸭翼可以用于产生有利涡流,但位置必须得当,这时候就叫做鸭翼和主翼之间产生了“耦合”效应,也就相应有了“近距耦合“这个观点。但不知道从什么时候开始,也有了“远距耦合”乃至“中距耦合”这样的提法,但在空气动力学上并没有后面两种观点。由于所谓之“耦合”,便是指的间隔近到得当的程度才能产生,间隔远了就无法“耦合”了,换句话说,凡是“耦合”、必为“近距”。
垂尾也不要了说完了平尾再回到垂尾,前面说了无尾布局实在是无平尾,把垂尾也去掉的飞机也有,并且现在越来越多。最范例的便是B-2隐身轰炸机,整架飞机险些就只有一个连成一体的机翼,由于机翼前缘后掠,能供应一定的航向安定性,但紧张是位于机翼后缘的几块可以高下开裂的调度片,通过调度片开裂形成的阻力供应航向安定性,通过掌握旁边调度片的开裂程度不同,形成阻力差代替方向舵的浸染。
调度片差动偏转,就成了副翼
有时候还能听到一种说法叫“隐身布局”,这里紧张指的是机翼机身形状针对雷达波反射情形进行了一些优化处理,可以将雷达入射波尽可能向其他方向散射出去,与空气动力的关系倒不是很大。
但隐身布局里有一个主要的方面便是翼身领悟。早期飞机机翼和机身之间便是直接连接没有过渡,最多为了减小阻力进行大略的修形,而翼身领悟,则机翼和机身之间有着完备平滑的过渡,乃至分不清哪是机翼哪是机身,这一方面减少了雷达反射,另一方面也使得机身表面气流更加顺滑,从而也改进了气念头能,对提高战斗机警活性,或是减少普通飞机的翱翔阻力都有很大帮助,因而得到了越来越广泛的运用。
米格-21机翼与机身之间完备没有过渡
翼身领悟的F-16,机翼和机身之间顺滑多了
但这方面做到极致的还是飞翼布局,像B-2的机体下表面,起落架收上往后险些没有突起,入射雷达波可以最大限度向着反方向反射出去,机身上表面也只有几个不明显的突起,分别作为驾驶舱和发动机进排气口,并且这些突起本身也十分平滑,所有设备包括炸弹都放在利用机翼厚度自然形成的机舱内,从而在布局上起到了很好的隐身浸染。
B-2的下表面,没有多余突起
上表面也很顺滑
除了上面这些紧张布局形式以外,还有好多奇奇怪怪的气动布局,特殊是一些小众的或有着分外需求的飞机,像双机身、串列翼、环形翼、边条翼,等等,不一而足。气动布局都是为了知足预期的性能哀求,从这一点上说,无论什么布局,能知足哀求就可以说是成功的。实在像发动机位置、进气口形状和位置等等都能影响到飞机的气念头能,因而也是飞机气动布局设计时所必须考虑的。
关于气动设计师但看多了飞机,总觉得气动布局有时候还会与设计师的个性和喜好分不开,一些比较有名的设计师都有自己独特的标志,像德·哈维兰,在喷气式飞机刚出来那会儿,一口气推出了“吸血鬼”、“毒液”、“海雌狐”三款双尾撑、翼根进气的战斗机;如果再仔细看看“猎人”、“蚊纳”、“鹞”等,也一定会创造这些飞机险些一样的垂尾形状——这些都是霍克·西德利公司的产品。实在这样也挺好——把某个已经进行过完善试验的部件拿过来稍改改再用,既减少了全部重新设计的事情量,也避免了新设计的风险,何乐而不为呢?
双尾撑“三兄弟”
尖尾巴“三杰”
实在飞机的气动布局是一门很大的学问,一篇文章完备讲透是不可能的,充其量也只说了个大概,但就这些已经让墨林的脑筋开始嗡嗡了……
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