這個問題簡直就是一部二戰後戰機氣動發展史,要是往詳細了說能說上好幾天,我還是盡量簡短一些。

首先先上一張二戰時期戰鬥機的圖片:

你會發現二戰時期的戰機差不多都是這種平直翼加活塞螺旋槳的飛機。平直翼?螺旋槳的組合賦予了飛機很好的起降性能。

當時的設計師們發現不管怎麼增加發動機馬力,可是飛機的速度卻很難上去。思來想去是發動機的問題,螺旋槳難以帶來更快的速度,於是在二戰末噴氣式發動機出現了。

人們得到了能飛高速的發動機,自然也沒有放棄追逐高速的腳步,這個時候用什麼樣的翼型成了困擾設計師最大的問題。

首先來看殲五,這種早期噴氣戰鬥機,設計師們嘗試增加後掠角來增加飛機的速度,的確飛機速度相對於二戰螺旋槳是上去了,可是依然沒有達到人們突破音速的追求。

於是設計師們開始思考,是不是後掠角還不夠大?

於是後期的一代機就成了殲六這樣大後掠角,可是後掠角加大帶來反而是翼尖失速和起降性能差。(補充一下翼尖失速:戰機正常工作需要氣流像紅色箭頭那樣劃過機翼,後掠翼帶來的問題就是氣流沿著機翼往翼尖發散了,氣流這樣走就影響了戰機的正常工作。)

人們不得不往機翼上加翼刀來抑制氣流的展向流動,從而防止翼尖失速的產生。 (這些機翼上的小隔板就是翼刀)

設計師們就發現這樣誇張的後掠角速度沒上去多少顯然這是一條邪路。單純的後掠翼是戰後飛機設計師探索噴氣式飛機邁出的第一步,優點是相比平直翼,速度上去了,但也就是僅此而已。

既然一味的加大後掠角不行,那麼怎樣的機翼才能實現超音速呢?

要跨越音速就必須要直面音障,要儘可能地把機身收在機頭引起的激波後面。於是設計師們提出: 機翼要堅固,要簡潔——三角翼幾乎完美地滿足了設計師的需求,三角夠堅固,把機身收在了機頭激波的後面,最大程度上減少了超音速所帶來的阻力,甚至還出現了達索那樣把平尾都省了的無尾三角翼佈局。

如果是沒有收到機頭造成的激波後面,則會有更多的點引發激波,帶來更大阻力的同時也對戰機結構帶來了挑戰。

機翼收到機頭激波後面則就好得多

(以上兩張圖截自軍武次位面第二期15集~我作圖質量太渣,畫了幾次都不能用無奈只能去盜圖了……)

三角翼也是人們探索戰機超音速邁出的重要一步,人類成功跨過了音速,2倍音速,衝擊了三倍音速但是速度快就意味著戰鬥力強嗎? 當然不是,三角翼賦予了戰機飛過音障的能力,翼尖失速的問題依然得靠翼刀解決。

這種人操火箭帶來了高速,也帶來了亞音速機動性的平庸和超長的起降距離,記錄可以這麼刷,但是空戰可不是刷記錄。

成功跨過了音障的設計師開始思考平直翼起降好但是飛不快,三角翼能飛快但是起降與低速性能不好,怎樣才能設計一款低速起降好又能飛高速的飛機呢?——做一架變形金剛!

你看這小傢伙,翅膀打開了是平直翼,收起來又像個三角翼能快能慢,就是重了點,上面這架米格23是手動檔的,上個天還得不停換擋影響空戰心情,還是美國人有黑科技,搞了自動擋的大貓,間隙還有氣囊來完善各種後掠角下的氣動外形。只是自動檔就不能享受駕駛飛機的樂趣了……

變後掠翼解決了戰機同時擁有高速和低速性能的問題,當然在戰鬥機上每一克重量都十分金貴,付出的代價就是結構重量。(但是變後掠翼解決了轟炸機航程與速度不可兼得的問題,當然這又是別的故事了)

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結構重量怎麼能忍!翼刀、變後掠翼什麼的都不能忍!——處女座的設計師

蘇聯人在米格23上驚奇的發現,米格23在飛行的時候,翼尖失速的現象並不是很明顯。難道是共產主義信仰加成?當然不是,研究了半天原來是可變後掠翼與機身的連接處豁口在飛行時拉出的渦流,渦流在機翼上形成了類似於虛擬翼刀的作用。明白了真相的蘇聯設計師大驚:原來還可以這樣玩!(Ps:美國人其實比蘇聯人早些就在氣動實驗室裏搞清楚了這個問題)之後的戰機發展就是渦流的世界了。

人們開始研究怎樣才能在戰機主翼上拉出渦流,並且更好地利用它。

Ps:評論區有大佬讓補充一下渦升力的知識:

空氣在接觸物體突起邊緣時容易形成渦流,大多數時候,渦流會影響控制翼面正常工作,所以大多數飛機平尾和主翼都是錯開的不在一個平面上,這樣主翼引起的渦流就不容易幹擾平尾。

飛機能夠飛起來,就包含了一個很經典的知識:中學時代物理課上,老師讓我們在兩張平行放置的白紙中間吹氣使紙張中間的氣流加速,這個時候兩張紙就因為壓力差的原因合上了。飛機也是如此,機翼上下方的氣流流速不同,形成的升力將飛機抬了起來。

隨著氣動技術的發展,設計師們發現有的時候經過翼面上的渦流也會產生有利影響,當渦流從主翼上方經過時,形成低壓區,加大了機翼上下方的壓力差,達到了增大升力的效果。所以設計師們也就想到在主翼前方加一個後掠角極大的突起(邊條)來拉出渦流。

於是出現了以F16,蘇27這樣的帶有邊條翼的戰機,利用邊條拉出的渦流賦予了這一批戰機良好的起降能力和高亞音速能力,同時強大的發動機和後掠的機翼又保證了速度不慢,以前J8這樣的高速三角翼飛機伴飛P3這樣的低速螺旋槳飛機很容易出事故,換了蘇27不僅能全程伴飛,心情不好了還能做個筒滾甚至能逼急了還能操控戰機用尾翼切開你的發動機~

再往後邊條鼓的就越發的明顯了,像是FA18EF,梟龍那樣的哥特式大邊條:

可以明顯的看出拉出來的渦。

~~~~~以上插播一些問題中沒問的邊條翼知識,不然總覺得接不到鴨翼上~~~~

戰鬥機氣動外形發展到這個階段,基本就已經沒有啥大的問題了,人操火箭般的高速有了,高亞音速機動性已經可以跟上螺旋槳飛機了,結構重量也減下去了,還有啥?

設計師:我覺得還可以在平尾上做一些文章....

於是設計師們思考平尾放在後面是用來調整戰機俯仰,我們把它放到主翼的前面,這樣既不被主翼上的氣流乾擾,又能操控戰機俯仰,並且能拉出渦流,還能在飛機降落的時候當減速板用,這樣一舉多得豈不美哉?

想法雖好,但是實施起來又是另一番景象,平尾的前置帶來的升力中心前移使得飛機的安定性下降,往好了說就是更靈活了,操作桿動一動飛機能動三動,往壞了說就是這飛機像一匹烈馬根本沒法駕馭。

於是電傳操控則成了鴨式佈局飛機的必備,靠著無數風洞試驗編寫出的飛控軟體再加上算力強大的計算機,幫助人來駕馭這個飛機。這時的人們發現,這匹馴服了的野馬不僅聽話,而且瞬時機動性能強大,能快速地將機頭指向目標,瞄準開火先敵一步,即便主翼是三角翼也能做到短距起降,亞音速性能也是槓槓的,就是飛控難寫了點.....

至此題主問的這些戰鬥機氣動佈局我大概說了一遍,再往後就是四代機的故事了。

戰鬥機的發展本質上就是提出問題,解決問題,然後提出新問題的過程。之前戰鬥機氣動佈局的發展大體上是線性的,設計師們攻克了一個又一個連續的技術難關,讓戰機性能提升。

這個時候的戰鬥機雖然還面臨著一系列的問題(比如評論區有大佬提到的人操火箭的問題,還有超音速後只能三十秒真男人的問題),但是基本已經夠用了,不然這一代飛機的氣動也不會從七十年代一路用到現在。

要討論第四代戰機,我們就必須去看另外一顆科技樹:

今天我們雖然嘴上說著把新一代以隱身外形為主打設計的戰鬥機劃為第四代戰鬥機,但是單獨把隱身飛機拎出來討論,很多人又喜歡把這一代飛機稱之為第三代隱身戰機,其原因在於最早期的隱身飛機並不是為空戰而設計的。

在那個戰鬥機並不願意為對地攻擊付出一磅重量的年代,危險係數最高的要數那些突破敵方防空網去執行踹門打擊任務的飛行員,於是那一批研究對地打擊飛機的設計師們一直在思考:要怎麼做,才能讓那些飛行員不被對方雷達發現?

雷達波與可見光本質上屬於波的範疇,於是討論這個問題,我們可以用可見光來說明:

中學知識告訴我們在漆黑的夜裡,我們打著手電筒照路,這個時候人眼能看到物體,得益於物體表面不規則引起的漫反射,如果我們用光滑的鏡面把手電筒的光線反射到夜空呢?是不是就成了一抹黑?

再舉一個例子:

自行車尾部反射燈,大家都不陌生,為的就是在夜裡儘可能的讓其他行人發現你,我們如果將其拆開,會發現裡面是一個一個的直角反射面:

感興趣可以去看看光學大佬回答:https://www.zhihu.com/question/56823046

(上面的圖片也來自於這個回答)

雷達發射天線就好比手電筒,雷達接收機就好比人的眼睛。所以想要讓雷達發現不了,就必須讓機身光滑不形成漫反射,盡量把雷達波反射到無關緊要的方向,並且要避免戰機上出現直角。

飛機要飛什麼是不可或缺的?答案是機翼! 所以一切與雷達反射面相關的東西除了機翼,能不要就不要,這就是飛翼式佈局。

在這樣理論的指導下,F117應運而生,是不是鏡面?沒有一個直角?是不是隻有一個大機翼?為了隱身採用傾斜式全動垂尾,別說是上世紀八十年代,即便在今天也是妥妥的黑科技。

然而F117為了隱身犧牲太多,之前我們講渦升力的時候講過,戰機上的突起會引發渦流乾擾戰機操控翼面,這傢伙身上全是突起。進氣道用了遮擋處理導致推力偏低,內置彈倉設計又導致彈藥掛在量不足,還有為了隱蔽必須夜間出航 還要無線電靜默,完全沒有自衛能力,一旦被發現必死無疑。

本身氣動不佳再加上飛行員頂著被發現擊落的壓力膽戰心驚地一個人夜間出航,還不能用無線電跟後臺訴苦排解壓力,導致F117雖然戰績輝煌,但是事故墜毀的117比被擊落的要多得多……

評論區有大佬指出117並不屬於飛翼式佈局,於是我考證了一下,這裡應該是我疏忽了,我們現在來看看真.飛翼佈局。

二戰時候有一位元首,他在陸地上擁有著一座動物園的同時還在天上有著一座黑科技園,最早的飛翼式佈局也要追溯到二戰時期元首的黑科技。

Ho 2_29 世界上首架噴氣式飛翼機,其實某種程度上它也是世界上第一架具有隱身性能的噴氣式飛機,全機只用了極少數的鋼材,其餘為木質結構。

有人說它材料大量使用木材是為了隱身穿過盟軍的防空雷達網,也有人說是為了降低機身重量增大航程從而深入打擊盟軍腹地,也有人說此時的德國已是強弩之末,用木頭是迫不得已……總之這位哥已經被盟軍繳獲了好多年,可是江湖上哥的傳說就沒斷過。

那就有人問了只不過是用木頭做了架飛機,怎麼就隱身了呢?其實這要從雷達的工作頻段說起,常用的探測雷達工作在分米、釐米波波段,這個波段被人們稱為微波。

是不是聽起來耳熟,沒錯,我們食堂熱剩菜剩飯的那個傢伙發射的也是微波,因此我們可以用微波爐來說明問題:微波照射到極性、非極性跟金屬材料上分別會出現吸收、透過、反射三種不同的現象。往日常了說你用一杯水放進微波爐,轉三分鐘水就開了,因為水是極性分子波的能量被吸收轉換成了熱。你把乾燥的空塑料碗放進去轉是不會升溫的 因為波透過去了。但是千萬不要嘗試把金屬不鏽鋼碗放進去,因為很可能一些老式微波爐設計不好,會把加熱用的微波到處反射,弄壞微波爐是小,傷到人就不好了,畢竟人也是水做的……

(當然雷達也有用米波的,只是米波精度不高原本已經處在被淘汰的邊緣,近些年來有人發現米波雷達反隱身效果不錯,米波有源相控陣雷達被中國人搞得有聲有色的)

Ho2-29的隱身性能很大程度上來自於它木質材料的透波屬性。

話鋒一轉來到了世紀末,美國人在F117上嘗到了甜頭,可是117的外形的確是太反人類,有稜有角的機身加大空氣阻力縮短了航程不說,安全性能也得不到保證。設計一款大航程大掛載的隱身飛機成為了設計師們思考的問題,於是也就有人想到了二戰時這架元首的末日黑科技。結合二戰飛翼佈局的靈感和最新的科技成果——幽靈問世了。

此時飛翼佈局這個概念被重新拿出來,還真有一種「蕭瑟秋風今又是,換了人間」的感覺,隨著隱身技術的發展,人們在飛機上用的雷達吸波塗層和隱身氣動外形設計上已經取得了長足的進步,飛機要實現隱身可以不再依賴木頭,也不再非要用117那樣稜角分明的外形。

想要了解吸波材料的夥伴們可以看看這篇綜述的引言,大致上有個瞭解:

龐大的B2燃油足矣可以跨洲際打擊,一個最大起飛重量在一百五十噸以上的大傢伙在雷達上不過是一隻鳥的面積,全得益於獨特的隱身細節處理:

B2的機身採用嚴格的平行鋸齒化設計,雷達波打上來只會反射到兩個預定的方向(安全區),發動機進氣口尾噴口採用隱身化處理,進氣道採用S型遮擋了雷達反射重災區之一的發動機葉片,這個大傢伙沒有尾翼,只能靠機尾的偏流板小幅度的偏轉來實現飛行方向的控制。

這種處女座設計師搞出來的轟炸機,如果真要挑出一點缺點的話,那大概就是貴吧……


這個問題,往小了寫就是一個航空概論論述題,往大了寫怕是幾本書也不能完全講明白,在這裡我準備簡單地歸納一下,並做一些小擴展。

先上一張機翼平面形狀圖

最開始的時候,大家也沒想太多,直接把機翼做成了矩形,因為在沒有像樣製造機器的年代這樣的機翼製作起來很簡單。後來發現矩形機翼的升力分佈(就是機翼不同區域產生升力的大小分佈情況)不好,翼尖很多情況下是浪費了的,即翼尖和翼根寬度(弦長)一樣,但是產生的升力明顯沒有翼根大,所以說明翼尖的寬度是可以縮小的,這就發展出了梯形翼。通過理論推導,升力分佈為橢圓時,機翼誘導阻力最小

下洗沿展向是常數時,誘導阻力最小,此時升力分佈應為橢圓,相應的機翼形狀也應該是橢圓

所以當時人們覺得最優秀的飛機必須配上看起來就閃閃發亮的橢圓機翼,才能凸顯高貴精密的氣質

「噴火」戰鬥機

二戰時期要做出橢圓機翼並且保證強度和光滑度,可以看出應該還是比較麻煩的,可能在結構設計師和工藝設計師的強烈反對下,大家發現梯形翼的梢根比(翼尖寬度與翼根寬度的比)在0.4~0.5之間的時候,性能居然和橢圓翼相差無幾。從此梯形翼就代替了橢圓翼,現在只有對橢圓機翼有特殊情懷的人才會使用橢圓翼了,但從本質上來說,矩形翼、橢圓翼、梯形翼都屬於平直翼,他們在性能、成本上各有差異,不過平直翼的優缺點一個也跑不了。

優點

  • 低速性能優異,可以以很低的速度起飛和著陸,對駕駛員可以說相當友好,所以很多現代對地攻擊機和通用航空飛機、初級教練機也是平直翼。

A10攻擊機

塞斯納525

缺點

  • 高速性能差,主要體現在阻力大。一般(注意是一般!)平直翼飛機的速度極限大約在600~700km/h,再想提速的話很費勁,比如二戰後期設計的P51野馬,集層流翼型、光滑簡潔機身、超遠航程為一體,屬於螺旋槳飛機中的豪傑,極速也就700km/h,不能再高了。不過硬要提速也可以,少數幾個愣頭青平直翼能夠超過音速,比如驗證機X1,是通過直接上火箭發動機強行突破音速,屬於大力出奇蹟的典範

P51「野馬」戰鬥機

X1驗證機

在航空工程師們拚命想突破音速的那個年代,基本上就是平直翼飛機加火箭助推,機體沒散架就基本能成。大家都很奇怪,難道接近音速的時候有一面空氣牆把飛機撞得粉碎嗎?當時他們把這個東西稱為「音障」,後來研究得知,那叫「激波」。當飛行速度接近或超過音速時,會產生激波,隨之而來的是巨大的激波阻力,往往結構強度不夠的飛機妄圖超音速的時候就會被自己火箭發動機的推力和激波阻力壓碎(當然也有其他結構振動等方面的原因)


那就沒辦法開開心心地飛高速了嗎?不是的,德國人早就知道了答案,布茲曼在德國研究時早就發現後掠翼可以推遲激波的產生,對於提升飛行速度有極大好處,他們在這個指導思想下製造了Me 163

Me 163

Me 163號稱第一種實用的火箭動力飛機、第一種投入戰鬥的無尾飛機。後來他們又研發了人類第一架投入實戰的噴氣飛機Me 262

Me 262

Me 262有著殲敵500餘架,自損100架的戰績,可見在當時快要戰敗的德國還能獲得如此戰績,Me 262是相當領先於時代的(盟軍飛行員第一次在空中與Me 262相遇的時候,嚇得驚呼:敵人的飛機竟然沒有螺旋槳!)。後來二戰結束後,美蘇都在搶奪德軍相關科研成果和科研人員,蘇聯人根據搜刮來的情報和數據設計了自身的新型戰鬥機米格15,美國人則直接聘請了布茲曼,利用其數據設計了自身的新型戰鬥機F86「佩刀」。從此,裝備後掠翼的高速飛機開始大量出現,航空科技發展進入一個新領域。

米格15
F86「佩刀」

後掠翼的主要作用是使得氣流分為垂直於機翼前緣流動和沿前緣流動(後掠翼是由翼根向翼尖流動),相當於對速度進行了分解,延緩了激波的產生,可以讓飛機進一步提升速度

這個圖顯示了不同後掠角下,飛機馬赫數與零升阻力的關係。顯然後掠角越大,阻力隨速度增長得越慢

後掠翼解決了高速飛行的阻力激增問題,但是他的缺點也是一抓一大把,主要有:

  • 翼尖失速問題。因為氣流不斷向翼尖流去,導致翼尖附面層堆積得很厚,很容易就失速了。左右翼尖又不太可能同時失速,所以任何一邊先失速都會引起飛機滾轉和搖擺,而且因為翼尖向後延伸,翼尖失速也會導致飛機俯仰運動。飛機開的好好的,突然像被什麼打中一樣開始搖擺也不好是不。解決翼尖失速的方法有加翼刀(粗暴地阻斷和抑制氣流沿翼展方向流動)

插一個小知識點,大家知道為什麼有些米格15左側翼刀有缺口嗎?其實是因為他左側有起落架收放狀態指示桿,翼刀擋住了飛行員看指示桿,所以挖了一個洞。。。

  • 機翼扭轉剛度差。與同面積同重量的平直翼相比,後掠翼的結構是受力更嚴重的。因為後掠這個形狀,後掠翼就是比同面積平直翼更長,而且機翼中部和翼尖的升力直接以翼根為轉軸施加了一個力矩,使得結構苦不堪言。
  • 副翼失效現象。副翼一般都安裝在機翼最外側,這樣效率最高,但正是因為上面的機翼扭轉剛度問題,在副翼偏轉時,比如下偏的時候,翼尖處升力會增加,在此升力作用下,翼尖會產生低頭力矩降低自身的迎角,這下好了,飛得越快,副翼偏轉時翼尖迎角降低得越厲害,直到某一個臨界速度,副翼偏轉增加的迎角等於結構變形減小的迎角,這會副翼就完全沒作用了。速度再大點副翼還能反效,就是操縱效果與正常情況相反,是不是很刺激?現代客機也是大展弦比後掠翼,同樣存在這個問題,不過不用擔心,解決辦法早就有了。大家坐飛機的時候,可以觀察一下客機的機翼,他一般分為高速副翼和低速副翼,高速副翼在內側,低速副翼在外側,根據速度配合使用這兩個副翼可以有效解決副翼失效問題。

紅框內是低速副翼,低速時使用,效率高。綠框是高速副翼,高速時使用,雖然離機身近導致力臂短,但是在高速飛行時,空氣動力強,整體效率還是可以的

細心的同學就會問了,後掠翼有這些缺點,換成前掠翼是不是可以解決呢?前掠翼好像比後掠翼好得多,前掠翼不容易翼尖失速,因為機翼上的氣流展向流動是從翼尖到翼根,所以前掠翼會在翼根緩慢地失速,失速了問題也不大,也不會產生副翼失效,看起來很美好,貌似解決了後掠翼的問題又消除了後掠翼的缺點,在這樣的指導思想下,各類前掠翼被設計出來了

X29驗證機
蘇47 金雕
「佩刀蝙蝠」

然後他們發現這東西真坑啊,前掠翼有天生的缺陷——機翼結構發散。前掠翼飛機哪兒都好就是有一個致命問題,其在飛行時,翼尖產生的升力會讓翼尖繞翼根扭轉變形,導致迎角增大,因為翼尖迎角增大又導致翼尖位置升力增大,那麼就又會繼續增大迎角,形成一個越來越不可收拾的死循環,最終將導致機翼結構破壞。當然,增強機翼強度可以抑制這種現象,蘇47也是整個機翼使用了90%的複合材料才將這個問題抑制下來。


那麼看來,後掠翼和前掠翼在結構上都有各自的劣勢,那麼有沒有一種機翼形狀既可以滿足高速飛行,又能保證同等重量下的結構強度呢?

這時三角翼就被提了出來,三角翼後掠的前緣可以推遲激波的產生,提高飛行速度,而比後掠翼更長的弦長(沿機身方向前緣到後緣的長度)增加了結構高度,機翼內部空間變大,更能裝東西,也更能抗各種力。其缺點主要有:

  • 最大升力係數小,降落比較困難。三角翼的飛機降落比較麻煩,如果沒有合適的增升裝置,那就是以較高的速度硬著頭皮降了。
  • 因為三角翼展弦比小(就是不如後掠翼等細長),所以滑翔性能差。擁有細長機翼(大展弦比)的飛機在動力不足或動力失效的時候還能自己滑翔飛行一會,這期間可以嘗試重啟發動機或迫降,但是三角翼飛機相對來說就不容易滑翔,發動機一不工作的話問題就很大。

幻影2000


後來,大家就發現三角翼這東西相比後掠翼什麼的很不容易失速,經過長年的研究,終於點亮了渦升力和渦流的科技樹。之前大家所想的是,一定要保證氣流在飛機表面(尤其是機翼和尾翼表面)的附著流動,氣流就應該老老實實按照飛機表面設計的形狀流過去,不要在那產生旋渦、亂流什麼的。三角翼出現後,發現大迎角時強勁的旋渦可以在機翼上表面形成低壓區,也可以產生相當可觀的升力,之後就衍生出了邊條翼、大迎角非線性飛行動力學的研究。

加裝邊條翼後在大迎角仍能產生升力
F18邊條翼拉出的渦

那這樣看來三角翼還是不能同時擁有高速飛行和低速起降的需求,為了滿足這個需求,變後掠翼就橫空出世了。既然高速飛行需要大後掠角,低速飛行(起降)需要平直翼,那搞一個可以變角度的機翼,真正實現雙卡雙待!

起飛、降落、低速用卡1,航母起降輕輕鬆鬆
航母停放、高速飛行用卡2,不僅飛得快,還能少佔地

變後掠角倒是真的實現了高低速兼顧,但是飛機設計沒有魚和熊掌兼得的情況,總師中總有那麼幾個會抱頭痛哭。F14變後掠翼氣動上效果那麼好,那麻煩事都轉移到結構上去了。在F14上,計算重量以克為單位的結構總師頭皮發麻地增加了800公斤的變後掠裝置,我都能感覺他的手都是顫抖的,合著辛苦減重好些年,加個裝置解放前。而且因為機翼會旋轉,F14機翼下都不敢掛導彈,轉過來把自己打了怎麼辦。變後掠翼看起來很酷炫,但是火了幾年就沒什麼聲音了,說明其機翼旋轉機構增加的重量是真的讓人受不了。後來也有各種變後掠翼的變種出現,比如AD1

AD1

AD1直接旋轉機翼,一面天堂一面地獄,不對,一面後掠一面前掠。據設計師估計,安裝「旋轉翼」的超音速運輸機的燃油效率是傳統運輸機的兩倍以上,不過用戶表示。。。飛機設計道路千萬條,安全第一條。。。。看這個樣子就有點不敢坐啊。


擴展一個優美的機翼形狀——S型前緣翼

S型前緣翼的典型代表是「協和號」

因為「協和」很漂亮,所以要放2張圖

特點就是前緣為S型。人們通過雙三角翼(即機翼內側大後掠,外側小後掠)在高速和低速的矛盾需求中尋找平衡,而S型前緣翼基本上是由雙三角翼修型而來。


至於鴨翼呢,就是屬於另一個範疇了。

飛機中由機翼產生主要升力,由尾翼對飛機進行控制和穩定。現在看到的飛機大多都是機翼在前,尾翼在後(不然也不會稱為尾翼是吧),就像民航客機那樣,這樣的佈局稱為常規佈局,是相當成熟的佈局,也有一系列成熟的設計方法。但是大多數人不知道的是,在常規佈局中,尾翼產生的是向下的升力,也就是他的存在導致整機升力降低。那這是為啥?因為機翼不光產生主升力,也產生低頭力矩,為了消除低頭力矩,就需要尾翼產生向下的升力形成抬頭力矩以使飛機達到平衡,如果一個常規佈局飛機在天上突然沒了尾翼,他可是會一頭紮下來的。斤斤計較的航空工程師當然不想有尾翼這種產生負升力的東西,覺得他的存在就是對飛機性能提升的一大阻礙,於是想著把水平尾翼放到機翼前頭去(除了試驗飛機,極少有把垂直尾翼也放在前頭的),這樣他的升力既可以補充到整機升力中,也不耽誤產生抬頭力矩。就這樣,大家把前置的尾翼稱為鴨翼。鴨翼並不是現代的發明,萊特兄弟的飛機上用的就是鴨翼,但是後來很長一段時間內,再重新拿出鴨翼的飛機也很少,主要是因為在控制和穩定性理論發展不足的年代,使用鴨翼總是使飛機不穩定。還有一個原因是,鴨翼和機翼就像力氣一小一大的兩人把整個飛機抬起來,重心位置調配得不好時,你感受過小個子拚命抬,而大個子不使勁的絕望嗎。。。當然鴨翼的作用在有些飛機上也不僅是平衡飛機,還起到與機翼相互耦合,產生渦升力的作用,比如

近耦合鴨翼的渦
陣風

對於鴨翼,美國人說了一句名言「最好的鴨翼都裝在別人的飛機上」。這句話至今也沒人能想明白,主要是它有歧義:

一是美國人覺得鴨翼這個東西不怎麼好,要裝你們裝,我是不裝的。

二是美國人覺得為什麼其他國家設計的鴨翼效果發揮得比美國的好?

這句話使眾人分不清站在航空學頂點的國家對鴨翼的態度是褒是貶,但就美國眾多飛機型號來看,他們使用鴨翼的飛機真的是寥寥無幾。其他國家鴨式、三翼面、無尾等各種佈局輪番上,美國人就是常規佈局、常規佈局、常規佈局。。。


後來隨著理論研究的深入和計算機技術的發展,大家設計機翼就開始放飛自我了,簡單的列舉幾個:

  • 串列翼。串列翼就是將鴨翼做得和機翼一樣大,前後兩個差不多的機翼將飛機抬起來。串列翼的變種有聯結翼、盒式翼。串列翼兩個機翼的載荷(分擔的重量)分配是比較重要的,如果分配不好,會出現一個機翼被迫超額提供升力而另一個全程划水,這樣會大幅降低效率,一般認為連接翼、盒式翼在結構強度和結構重量上更有優勢。伯特魯坦(我最喜歡的飛機設計師)就非常喜歡搞串列翼

海神之子

稱為聯結翼或盒式翼,是將串列翼的兩個翼尖連起來
  • 飛翼。這也是大家很熟悉的一種飛機佈局了,整個飛機只有一個機翼。雖說看起來只有一個機翼效率會提高不少,但其實很多飛翼佈局飛機必須使用反彎度翼型來保持平衡,而且其後緣舵面因為力臂短,所以操縱效率也不高,總的來說在氣動效率上真不見得超過常規佈局的飛機。

X48-B

  • 環形翼。基於飛機設計師都想降低誘導阻力、阻止機翼下表面氣流往上翻滾的強迫症,有人機智地提出了環形翼。。。這機翼已沒有上下表面之分,只有內外表面,看你氣流怎麼翻上來。。。這種機翼研究的人很少,不過掉進這個機翼坑的人已經承認,環形翼的迎角也不知道怎麼定義,一個較小的任意方向的氣流偏角就能使整機氣動力發生不小的改變,使氣動力計算和穩定性分析苦不堪言。

  • C型翼。其實就是將翼尖小翼做大了,還翻了幾折,其氣動優勢和結構優勢還不太明確。

  • 三翼面。就是一架飛機既有水平尾翼又有鴨翼,蘇系飛機常用設計。理論上可以通過各舵面綜合應用達到相當優秀的機動性和適應能力,不過因為舵面更多,氣流相互幹擾耦合也更嚴重,對設計水平要求較高。

蘇34「鴨嘴獸」

  • 特殊飛機。一些飛機因為技術超前或有特殊用途,我認為其設計體系是自成一體的,所以單列出來。典型如F117,當時設計團隊覺得最優秀的隱身飛機就得有多面體直線外形和堵住進氣口和尾噴口的發動機,就憑這兩點,負責空氣動力和動力系統的總師應該就已經相擁哭暈在廁所了。為了降低紅外特徵,F117隻有1分米高的窄縫尾噴口將排氣與冷空氣充分混合,最終排氣溫度只有66℃!煮雞蛋都只能煮溏心蛋!代價是損失30%引擎效率。眾多平面拼搭起來的外形只能保證這飛機勉強。。。呃,能飛。

虛假的F117

真正的F117
  • 各種航空院校學生設計。學生們為了各種設計比賽發揮專業知識和神奇腦洞,設計了一個又一個創意作品。在學校裏,你設計一架常規佈局飛機可是會被嘲笑的。放一個視頻你們感受下

我感慨在萊特兄弟時代的飛機發展初期,大家都不知道何謂飛機佈局、何謂水平尾翼,更不清楚操縱性與穩定性的概念,總想著「力大磚飛」,飛不上天一定是發動機不行。在各學科的發展都比較落後的情況下,憑藉著一次次粗暴而直接的試錯,硬是開闢了航空這門改天換地的學科,期間無數學術大牛和熱血青年的各種奇思妙想和艱苦試驗讓我熱血澎湃。

我的財寶嗎?想要的話就給你吧,去找吧!我把世界上的一切都放在那裡!

(圖片來源於網路)


我寫這個回答主要是為了反駁一下某些人的想法。

@jqdsu 連你也能看懂的來了

在這裡基於事實分析。

抬式佈局(就是鴨式佈局,我怕你不懂)如何分類取決於鴨翼在整體的氣動設計中起的作用。

還是那句話,說殲10是抄LAVI的去看眼科或者是腦科;認為殲20是抄米格1.44的同樣去看眼科或者是腦科;認為殲20是殲9VI-II拉皮的也一樣去看眼科或者是腦科。

如下圖

像?順帶一提,這東西早嗝屁了,殲10改到C

視力沒問題?

氣動設計,牽一髮而動全身,一個小小的變更都會帶來難以想像的變化。

你兒子有兩條胳膊兩條腿,隔壁老王也有兩條胳膊兩條腿,所以你綠了?

嚴格來講,殲10方案的提出比LAVI早,LAVI抄殲10還差不多。

殲10方案1982年4月敲定,LAVI則是同年10月。(不信自己去查)

LAVI的問題很嚴重,發動機氣動美國人的,飛控系統歐洲的。這飛機上有多少東西是屬於以色列的纔是問題。

另外,你們找爹都不會找,要找的話麻煩找個像一點的。

這個夠像,你看的懂嗎?

我來講下理由。本文僅限於鴨翼以及鴨翼對整體的影響部分。

1.鴨翼是拿來幹啥的?

俯仰控制、氣動配平、產生渦升力。

俯仰控制的意思很簡單,控制飛機迎角的增大或者是減小。正如其他回答所說,機翼尾流對舵面效率的影響不可忽視,將水平尾翼放在機翼前面會避免這個問題。

但這樣完全不同的設計會帶來其他問題。

抬式佈局,一般來講鴨翼在這種佈局中的作用主要是俯仰控制和氣動配平。我們知道當飛機的速度越來越快,它的氣動焦點會越來越靠後。對於常規佈局的固定翼飛機,是用水平尾翼產生負升力把屁股壓下去。對於抬式佈局,則是通過增大鴨翼迎角,增大升力把機頭抬起來,這也是抬式佈局這個詞的由來。

最後是渦升力。

對於現代戰鬥機,對渦升力的利用程度是評價戰鬥機氣動設計水平的重要依據。

渦升力是怎麼產生的?

這裡就要談誘導阻力。我們知道,當飛機的速度越來越快,機翼增大後掠角以減小阻力。因為後掠角的存在,當氣流在機翼上面流過後,並不是理想的平直的流過機翼上表面和下表面,而有一部分是沿機翼向翼尖流動。翼根效應,翼根處的壓強總比翼尖大,因為氣流向翼尖堆積,然後更早地發散。這個現象實際增大了翼尖的等效迎角。當飛機的速度加大,翼尖處的等效迎角增加到一定程度,就會超過機翼的失速迎角,然後就會發生翼尖失速現象。

翼尖失速這個現象,後掠角越大,速度越大越嚴重。

在翼尖,下方相對於機翼上方更高壓的氣流翻上來,同時飛機向前主動做功產生渦流。

很明顯是不是?

由於這個過程需要飛機主動推開空氣做功,而且渦流的相對速度更大。也就是因為這個過程產生了阻力,叫做誘導阻力。

誘導阻力是飛機主要的阻力來源之一,如何降低誘導阻力的不利影響一直是飛行器設計的重點。對於客機,通常採用添加翼梢小翼的方法來降低不利影響。

對於戰鬥機,一般是通過機翼扭轉的方式來減緩翼尖失速的發生,上面的F22的翼尖很明顯。也就是人為的降低了等效迎角。

翼刀?算了不提。

機翼扭轉足夠明顯了

為什麼機翼能夠產生升力?

簡單來講,伯努利原理(嚴格來講,不是)。因為機翼的形狀,再結合一下鴨翼的位置,如果能讓鴨翼產生的渦流吹過機翼上表面,不就能使機翼上表面的空氣流速更大,實際提升機翼的升力嗎?

鴨翼產生的渦升力能有效增加飛機整體的升阻比,在這個過程中,鴨翼帶來了誘導阻力,但是機翼獲得了更大的收益。這個買賣是划算的。同理邊條也一樣。

(以上是簡化處理)

@jqdsu 有請你來講一下邊條的作用和原理,特別是如何增大機翼的失速迎角這一點

近耦合戰鬥機就是這樣。殲10、LAVI、米格1.44、鷹獅、陣風都是這一類。

遠距不耦合這類暫且不提,說了你也不懂

在這個過程中鴨翼渦甚至起到了翼刀的作用,減緩了氣流堆積。

但是對於近耦合的飛機,成也渦流敗也渦流。典型的就是陣風,渦流會帶來阻力,特別是超音速段,這是不可避免的問題。

注意:相同空速下,鴨翼的位置、尺寸、後掠角、上反或是下反都會影響到渦升力的效果。

2.鴨翼對於整體的影響

前文說了,俯仰控制、氣動配平、渦升力。

相同情況下,如果能讓鴨翼氣動焦點的位置和機翼氣動焦點的位置儘可能遠,在超音速下就能產生足夠長的配平力臂。當飛機越來越快時氣動焦點進一步後移,配平力臂越長的越有利於穩定飛行。

這個夠遠的

未來的戰鬥機如果要追求高速性能,大概率會使用遠距不耦合抬式佈局。

很明顯殲10比LAVI適合高速飛行。

因為國土防空的需求,才會有殲10這種截擊機。為什麼說殲10是截擊機?

飛機需要多快的速度和技戰術指標直接相關。上圖的XB70就是典型的例子。

而飛機能飛多快取決於很多因素,包括發動機涵道比,更高超音速升阻比的氣動設計等等。在高升阻比的氣動設計中很重要的一點就是氣動配平,常規佈局負配平的同時會帶來對整體升阻比不利的阻力,抬式佈局的代價則小得多。殲10的配平力臂遠比LAVI長,放寬靜穩定度遠比LAVI寬(說這東西是靜穩定的我都信)。

最大2.2馬赫的飛行速度,較大的長細比,足夠大的機頭來放置儘可能大的雷達,為了速度翼尖掛架都沒有,諸如此類。

所以為什麼說殲10和LAVI的區別就像馬和駱駝。LAVI的鴨翼基本上就是個渦流發生器。另外LAVI機翼和鴨翼的距離過近,以至於渦流產生的阻力加上基本沒有的配平能力使這東西的高速性能…

追求低速性能的陣風都比這玩意適合高速飛行。

這東西就是個攻擊機,用來取代A4之類的。而殲10最早設計就是有截擊需求的國土防空戰鬥機。

殲10鴨翼和機翼的距離遠比LAVI的大,這就是關鍵,這是本質區別。

殲10全尺寸金屬樣機用的是皮託管進氣道?沒錯,最早期的設計類似F16,但是這個和LAVI沒有關係,從全尺寸金屬樣機的照片來看,和F16以及LAVI這種並不一樣,不信自己找個側面圖看一下。

到最後的設計確實是二元可調進氣道,最後裝著二元可調進氣道的飛上天了,怎麼著?

但如果有人說是LAVI硬改過來的,我只能

目力風洞,腦補氣動的你也是人才

至於殲20和米格1.44之間的區別,你聽不懂的,有興趣的讀者可以翻閱我之前的回答。

鴨翼下洗流的問題過於複雜,這裡不予討論。

寫這個回答是因為看不下去某些人不懂裝懂的德行。行文混亂,望見諒。


特別給找爹黨們說一下。

借用 @中文屋裡的幽靈 的一幅圖來做個對比:

可見以色列Lavi戰鬥機和國產殲10戰鬥機在氣動外形上的巨大差別。

Lavi採用的是超近距耦合鴨翼+後掠翼設計,這種設計堪稱航空器設計史上的奇葩。受鴨翼下洗流影響,主機翼內段局部有效迎角顯著下降,卻沒有採取翼前切角或大幅度向上扭轉的措施加以補償,大迎角飛行時將出現提供大部分升力的主機翼內段還沒失速,安裝著副翼、負責橫滾的外翼段就先失速的悽慘情況。此外後緣襟翼和鴨翼的縱向操縱力距都太短,高升力係數大迎角飛行時將難以產生足夠的低頭力矩,一旦失速就沒辦法改出,這就是Lavi可用迎角受到嚴厲限制的根本原因。如果這個玩意兒服役了,必將接替f-104星戰士,成為新一代寡婦製造者。

反觀殲10,採用的是獨一無二的中距耦合鴨翼佈局,兼顧俯仰控制和渦流發生,雖然與颱風相比力矩較短,但仗著翼面積更大,展向變彎度從而升力係數較高,又處於主機翼上洗流場中,升力效率更出色的鴨翼,獲得了出色的超音速俯仰控制許可權。再加上以進氣道斜板(A型)或鼓包(B和C型)的超音速激波升力為鴨翼卸載,高速飛行性能毫不亞於鴨翼力臂更長,整機推重比更高的颱風。且較大的鴨翼也確保了耦合態下足夠強大的渦流發生和控制能力,鴨翼下洗流對主機翼的不利影響則通過大幅度展向扭轉主機翼、提高內翼段迎角解決,較大的鴨翼更可通過對渦流場的主動控制實現偏航操縱。殲10和颱風在典型空戰掛載時的超音速升阻比不低於4.0,高速飛行性能顯著優於典型三代機,是「指向機動」設計理念的經典產物。

如此風馬牛不相及的兩種機型,居然還有人能強行找爹,我只能說:同志,辛苦了,今天晚飯加雞腿。


簡單一點說。

後掠翼主要是兩個目的,一個是高速飛行的升力中心變化,另一個是降低空氣激波阻力。

所以後掠翼適合高速飛行(可以簡單理解為大於聲速)。

但是後掠翼飛機在低速下升力有限,升力中心過於靠後,所以低速性能普遍不佳。而且因為機翼離機身近,旋轉力矩低,所以機動性普遍都比較難看。

作為艦載機,需要良好的低速性能來進行著艦,所以有了變後掠翼。低速小角度後掠,高速大角度後掠。當然有些奇葩轟炸機也選擇這個。。

鴨翼最初主要是利用小翼的渦流增升。提高低速性能。後來很多大佬覺得這玩意兒能提高飛機的俯仰性能和轉向。這裡面的氣動就很讓人崩潰了。但是效果確實不錯。

此外還有三角翼(法國人的獨特腦洞),飛翼機,升力體等等機翼


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