为什么现在各国都不搞F14那种可变后掠翼飞机了?

要回答这个问题有必要首先来解释一下机翼的作用、机翼的类型、各翼型的优缺点以及变后掠翼产生的前因后果

众所周知,机翼是飞机的重要部件,安装在机身上(www.nLw.net.cn)。其最主要作用是产生升力,没有升力就无法升空。同时也可以在机翼内布置弹药仓和油箱,在飞行中可以收藏起落架。另外,在机翼上还安装有改善起飞和着陆性能的襟翼和用于飞机横向操纵的副翼,有的还在机翼前缘装有缝翼等增加升力的装置。

机翼分类最常用的按照平面形状分类,可分为平直翼、后掠翼、前掠翼、三角翼、菱形翼等等;

机翼的外形五花八门,有平直的,有三角的,有后掠的,也有前掠的等等。但是,不论采用什么样的形状,都必须符合空气动力学,使飞机具有良好的气动外形,并且使结构重量尽可能的轻。良好的气动外形,指的就是升力大、阻力小、稳定操纵性好。用来衡量机翼气动外形的主要几何参数有翼展、翼弦、展弦比、后掠角、后掠角、根梢比、相对厚度等几个方面。

此外,机翼的剖面形状也是多种多样,随着生产技术以及流体力学的发展,从早期的平直矩形机翼剖面到后来的流线形剖面、菱形剖面,机翼的升力性能越来越好,相反受到的空气阻力越来越小,也就是说机翼的升力系数越来越大,相同面积的机翼所产生的升力就越来越大。

空气动力学是一门十分复杂的学科,这里只做简单介绍,有兴趣请自行百度。

平直翼:平直翼是指无明显后掠角的机翼。一般指后掠角小于20度、平面形状呈矩形、梯形或半椭圆形的机翼。 优点是稳定性好、油耗低、有利于提高留空时间 。缺点是占地面积大 不便于存放,因此常用于无人机、战术运输机等对留空时间有较高要求而对速度要求不高的亚音速飞机上。

中国“翼龙”无人机

中国“运9”系列战术运输机

美军C130战术运输机

运9、C130这样有一定锥度的也可以算作平直翼

后掠翼:前缘和后缘均向后掠的机翼,表征机翼后掠程度的指标是后掠角,即机翼前缘与水平线的夹角。后掠翼的气动特点是可增大机翼的临界马赫数,推迟激波的到来,并减小超音速飞行时的阻力。优点是跨音速、超音速条件下表现好,适合高空高速突防。缺点是升力效率较低,扭转刚度差,起飞滑跑距离长,低速性能较差。后掠翼飞机的机动性,操作性,是一般机翼飞机无法比拟的.在空空对战中,良好的可控性大大加强的飞机的生存能力。因此后掠翼机翼的飞机目前是世界空军装备飞机的主流机翼形式。

美军F15“鹰”式战斗机

前掠翼:与后掠翼相反,前掠翼这种机翼的外形特点是,其前缘和后缘均向前掠,即掠角为锐角。前掠翼是相对后掠翼而言的一种翼型,其梢弦在根弦的前面,左右翼俯视投影形成一个V字。前掠翼是和后掠翼同时提出的,两者推迟激波产生的原理是完全相同,由于前掠翼上的展向流动指向翼根,大迎角飞行时气流首先从机翼根部分离,从根本上克服了翼尖失速问题,因而低速性能好,可用升力大,机翼的气动效率高。

但是跨音速阻力的问题相当严重。这个同时会影响巡航和在战斗空速下的机动能力。而且超音速下有目前材料技术解决不了的气动弹性发散导致的强度问题,即便能够达到一定的改善寿命明显也不如后掠翼。而优点可以靠改善后掠机翼的设计和TVC这样的技术补足,实际上很难形成什么明显的优势。

三角翼:由于其形状形似三角形而得名。三角翼构型普遍具有超音速飞行阻力小、结构强度高、跨音速时机翼重心向后移动量小的三大特点,因此被广泛应用于以高速飞行为目的或用途的飞机。优点主要是翼面积大,翼载低,水平机动性能好,而且后掠角大,阻力小。机翼重量轻、刚度好,有利于收置起落架,安放燃油和其他设备。三角翼超声速阻力小,从亚声速过渡到超声速时机翼压力中心向后移动量小,这对于舵面平衡能力比较差的飞机尤为重要,所以无尾飞机和鸭式飞机基本上都采用三角翼。

菱形翼:菱形翼可以看做是后缘前掠的三角翼,算是三角翼的变种。为了适应隐身机平行法则的需要,同时对于追求超巡和超音速机动的战机来说可以减小展弦比。主要好处就是翼根弦长增加,翼面积变大,容积变大,翼载变小,抗扭转性更好,结构重量更小。缺点就是展弦比进一步缩小。

菱形翼是平衡隐身、机动、航程等方面要求的较好方案。采用这种布局最典型的机型有美军F22、T50以及在与F22的竞争中落败的YF23

由上可见,后掠翼翼虽然空阻小,但存在机 翼前缘升力不足的缺点,而且后掠角越大,升力系数越低,使得飞机在起飞,着陆,空速限制等指标上都不理想.因此为了兼顾战机的高低速性能,产生了“变后掠翼”的技术路线。个人认为可变后掠翼翼型始祖应该是德国的梅塞施密特MeP1101,虽然该机的机翼只能在地面设定后掠角,但从此为航空领域带来了一个新的思路。可变后掠翼在起飞,着陆和低速飞行时,使用较小 的后掠角,使机翼前缘升力增加,机翼效率提高,而高亚音速和超音速飞行时使用大后掠角,提高飞机的加速性能和高速飞行能力。可变后掠翼由于有同时兼顾高速和低速飞行的优越特性,在六七十年代,美苏及欧洲相继研发变后掠翼战机并服役。由此出现了一系列采用可变后掠翼技术的经典机型,如美国F-111“土豚”战斗轰炸机、F-14“雄猫”战斗机、B-1B轰炸机,欧洲“狂风”战斗机,前苏联MIG-23战斗机、图-160战略轰炸机、图-22M轰炸机等。中国也曾有过变后掠翼方案的强6强击机计划,不过由于种种原因被迫下马。但变后掠翼飞机也有非常大的缺陷,机翼转动机构复杂,整个变翼机构的重量很大,增加了机身重量,机翼悬挂点减少,负载减少,灵活度减少。增加了机构的复杂度与固件的数量,可靠性成几何倍数的降低,同时生产复杂度和维护费用成几何倍数的增加,从而造成付出多余回报。而且就算牺牲如此多的方面也不能弥补其结构上的强度的降低。

如经典之作F-14。先是去掉了副翼,而后其关键部位必须使用不能常规焊接的钛合金制造,为了其空气动力学原理,甚至使用了类似气囊的部件来补充机翼后缘缺失的部分,就算如此其重量还是大大的超过了同类战机。从而大大的增加了制造和维护费用。对于一种常规性武器的批量生产这是很不利的。

变后掠翼飞机设计复杂,操纵也非常麻烦,故障率也比较高,最要命的是复杂的变翼机构限制了飞机的载荷,外型,隐身等一系列性能的提高,这与如今先进战机的发展趋势格格不入。而且随着空气动力学和航空发动机技术不断发展,现在采用了前缘机动襟翼、升力机身、边条翼等技术手段后,在一定程度上解决了飞机兼顾高低速度下的飞行与控制问题。所以,个人认为变后掠翼的时代已经过去,至于诺·格公司的可变前掠翼概念机,现在还是个未知数,只能看作是一种尝试,不是发展趋势。

美国诺思罗普·格鲁曼公司,1999年11月登记注册专利编号5-984-231的新型可变前掠翼概念战机。

当然飞机的气动布局,并非只是主翼。而是指对气流有影响的典型外形特征集合。还包括翼面、机身、短舱、连接件、进排气等。直升机严格的来说并不算是“飞机”,而是“飞行器”。“飞机”一词专指固定冀飞行器,因此这里只说固定翼飞机的翼型布局。人类的航空学者根据几百年的经验,按照不同的分类标准,总结出了一些典型的气动布局形式:

1.按俯视图的翼面布局形式来分

常规布局(又叫正常布局):常规布局就是我们常见的飞机,是目前世界上应用最广泛的一种翼型。常规布局飞机的特点是前翼大、后翼小,机尾有尾垂,这些都是最基本的,常规布局仍存在一些看起来不一样的地方飞是尾垂仍有几个式样,如大型客机和运输机尾垂顶部有小翼,现代三代、四代战斗机多采用双尾垂,而二代以前的战斗机几乎都是单尾垂的,很多大型飞机主翼稍部都有一个小的上翘,称为翼稍小翼,之所以做这个小翼是因为设计师们发现,飞机尖细的翼稍高速划过空气时会剧烈撕裂空气并形成紊流,而紊流对飞机的升力和高速性都造成了明显的不利影响,如果消除这样的紊流将对减小飞机的燃料消耗起到很大作用,所以现有多大型飞机都设有小翼,而战斗机之所以很少有翼稍小翼是因为小翼对飞机来说本身是一个增重,大型飞机由于自身重量大对这样小的增重不太敏感,而战斗机起飞垂量低,对超重非常敏感,设计翼稍小翼给战斗机带来的好处和飞机增重带来的小利影响基本持平或者大于收益,所以战斗机飞不再设翼稍小翼了。

鸭式布局:安装鸭翼后可以大大提高飞机的机动性,这种翼型应用到战斗机上可以使战斗机可拥有很高的机动性,这就打开了在战斗机上应用三角翼技术的大门。鸭翼战斗机的特点是兼有大三角翼飞机的优点的同时又具有很强的机动性,使得这种飞机作为战斗机具有很强的优势,但是世界上的事物很少有只有优点而没有缺点的事物,鸭翼也一样,在应用于战斗机时,在低速飞行时迎风阻力较大,低速机动性低,降落时昂角较大,下视能力差,在进行上舰改造时机翼不易拆叠,不利于上舰改造。现在这种翼型的飞机在欧洲应用较广泛,欧洲著名的“双风”、法国幻影系列战斗机、瑞典“鹰狮”战斗机,以色列妖折的“幼狮”战斗机都是这种布局,由于该机本身固有的缺陷,法国“阵风”战斗机就没有应用折叠机翼,虽说三角翼可以利用正反交错停放,这种停放在机库里没有什么问题,但在甲板应用时对甲板调度非常不利。近年来我国对鸭翼战斗机似乎情有独忠,我国的J-10三代机和J-20四代机先后采用了鸭翼布局。

三翼面布局:在常规布局的飞机主翼前机身两侧增加一对鸭翼的布局称为“三翼面布局”。三翼面布局的前翼所起的作用与鸭式布局的前翼相同,使飞机跨音速和超音速飞行时的机动性较好。但目前这种布局的飞机大多是用常规布局的飞机改装成的。三翼面布局的缺点是增加了鸭翼,阻力和重量自然也会增大,电传操纵系统也会复杂一些。不过这种布局对改进常规布局战机的机动性会有较好的效果。

无尾布局:无平尾、无垂尾和飞翼布局也可以统称为无尾布局。对于无平尾布局,其基本优点为超音速阻力小和飞机重量较轻,但其起降性能及其它一些性能不佳,总之以常规观点而言,无尾布局不能算是一种理想的选择。然而,随着隐身成为现代军用飞机的主要要求之一以及新一代战斗机对

超音速巡航

能力的要求,使得无尾——特别是无垂尾形式的战斗机方案越来越受到更多的重视。

无(平)尾布局

30年磨一剑的印度LCA“光辉”

飞翼布局:其空气气动力效率高、升阻比大、隐身性能好,但机动性差、操纵效能低,所以这种局面目前多用于轰炸机、隐身无人机

联翼布局:联翼布局通常由前后相连的机翼构成,后掠的前翼和前掠的后翼组成菱形的框架机翼,后翼一般较前翼位置更高,通常也与垂直尾翼相连。较常规布局有较高的抗弯扭强度,减轻结构重量。提供了直接升力和直接侧向力控制能力。减小了诱导阻力,减小了跨声速和超音速波阻。阻力系数低,升阻比较高。十分适合作为高空高速飞机的气动布局设计。

还有双翼机、三翼机、多翼面布局等形式

2.按尾翼的形式来分

有按垂尾数量来分的,如单垂尾、双垂尾、三垂尾、四垂尾

按平尾和垂尾相对位置关系来分的,如下平尾、十字尾翼、H形式尾翼、T形尾翼(高位平尾)、V形(倒V形)尾翼、X形尾翼等

大部分民航客机都是采用的下平尾形式。

3.按机翼的平面形状划分

可以分为矩形翼、曲线形式翼(包含椭圆形等各种曲线)、梯形翼、菱形、三角翼(包含双三角、切尖三角翼)、典型运输机机翼形式

而根据后掠角的不同可以分为平直翼、前掠翼、后掠翼、变后掠翼、变前掠翼

4.按机翼相对机身的位置划分

这个主要是针对典型飞机布局而言的,可以分为上单翼、下单翼、中单翼

苏联第二代战斗机采用中单翼的比较多

第三代战斗机采用上单翼的比较多。军用运输机也一般采用上单翼。

民用客机、公务机一般采用下单翼

5.根据进气口相对位置来分

这个主要针对战斗机而言,其进气口与机身是融合在一起的设计。

可以分为机头进气、两侧进气、腹部进气、背部进气、短舱形式进气等,以及一些综合性的名词,如两侧边条下进气。专业名词如卡尔特进气道、DSI进气道、皮托管进气道。

机背进气道多见于无人机

7.针对发动机短舱位置的不同

这个是对于运输类飞机而言的。

可以分为机翼中部嵌入、翼尖布置、翼下吊挂、翼上布置、机身尾部两侧布置(尾吊)、垂尾中间或垂尾根部布置

8.根据机身的数量区别

可以分为单机身、双机身、三机身等

9.根据机身形状的特殊性区分

除了常规的机身外,还有乘波体、升力体、船底机身等

升力体

乘波体

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