APP下载

关于机翼形状的发展历程及对飞机升力影响的探究分析

2017-03-24符腾川

关键词:升力载荷面积

符腾川

【摘要】 本文总结了飞机机翼形状的发展过程,先后出现了平直翼、后掠翼和前掠翼。并从理论上简要分析了三种典型形状的机翼对飞机升力的影响。得到了三种机翼发展先后顺序的原因。

【关键词】 承载 面积 升力 载荷

【中图分类号】 G632.4 【文献标识码】 A 【文章编号】 1992-7711(2017)02-178-02

飞机是现今一种重要的交通工具,它的发展史也不过100多年。但是飞机在发展的路程上,出现了许多种奇形怪状的机翼。各种形状的机翼对飞机的飞行速度、加速度等各种性能都会产生巨大的影响。因此本文主要研究飞机发展过程中各种形状机翼产生的原因。

飞机在飞行过程中受到四种作用力: 1,升力——由机翼产生的向上作用力2,重力——与升力相反的向下作用力,由飞机及其运载的人员、货物、设备的重量产生3,推力——由发动机产生的向前作用力4,阻力——由空气阻力产生的向后作用力,能使飞机减速。

机翼的主要功用是产生升力,以支持飞机在空中飞行;同时也起一定的稳定和操纵作用。是飞机必不可少的部件,在机翼上一般安装有飞机的主操作舵面:副翼,还有辅助操纵机构襟翼、缝翼等。另外,机翼上还可安装发动机、起落架等飞机设备,机翼的主要内部空间经密封后,作为存储燃油的油箱之用。

因为飞机的机翼先后出现了平直翼、后掠翼和前掠翼。本文将介绍这几种典型的机翼,根据物理原理分析比较几种机翼的特点,从而得到这几种机翼出现顺序的原因。

一、三种机翼的发展过程

1.平直翼

平直翼是指飞机机翼面积大而长,机翼迎风面十分平直,图2为平直机翼模型。平直翼是最早出现的,莱特兄弟所测试的“飞行者1号”和“飞行者2号”都是标准的平直翼。其后一直到二战,平直翼一直在沿用。早期飞机发动机功率低、重量大,建造机体的材料大多是木材和蒙布。

2.后掠翼

后掠翼是由德国空气动力学家在20世纪30年代提出的,为其当时先进的喷气机专门设计的一种机翼。直到1950至1960年间,喷气机的广泛应用,后掠翼就开始普遍应用。可以说,后掠翼是专门为超音速飞机而设计的

3.前掠翼

图4为苏联的苏37金雕战斗机,这是标准的前掠翼飞机:机翼前缘和后缘的倾角均向前,机翼面积与后掠翼相比小很多。

二、理论分析

简单来说,飞机的机翼是给飞机提供升力的重要部件。由表面的蒙皮和内骨架组成,其产生的升力与机翼面积成正比。与空气作用,从而能够克服重力在空气中漂浮。再加上飞机自身的动力装置,飞机便可飞行了。

首先,我们来了解一下什么是升力。升力来源于机翼上下表面气流的速度差导致的气压差。在真实且可产生升力的机翼中,气流总是在后缘处交汇,否则在机翼后缘将会产生一个气流速度为无穷大的点。这一条件被称为库塔条件,只有满足该条件,机翼才可能产生升力。这一条件被称为库塔条件,只有满足该条件,机翼才可能产生升力。

根据这一条件,便得出公式:Y=1/2ρCSv2

Ρ:空气密度

C:升力系数

Y:升力(升力垂直于气流速度方向,向上为正)

v: 气流相对于物体的流速

S :参考面积(飞机一般选取机翼面积为参考面积)

1.平直翼

由升力系数Cl = L/(qS)公式可知:在低速度条件下需要产生足够的升力,需要较大面积的机翼。所以一战就出现了三翼机和双翼机。直到二战,飞机的动力提升。双翼机和三翼机机翼产生了空气阻力不方便快速飞行,故将机翼数量降低到单翼。

2.后掠翼

后掠翼形特点是,其前缘和后缘均向后掠。机翼后掠的程度用后掠角的大小来表示,掠角为锐角。根据受力分析,后掠翼所受的空气阻力会沿着机翼的边缘“流出去”,从而减小了阻力,增加了飞行速度。

后掠翼也同时存在着缺点:亚声速时升力效率较低,翼尖容易先失速。因为将速度也进行拆解,当自由流吹过后掠翼时由于展向分速,总速度被分解掉了一部分,实际有效的法向分速就降低了,升力也降低了。因此,后掠翼飞机的虽然在飞行速度上有很大的优势,但在升力方面有很大的劣势。工程师为了应对这问题,便创造出了可变后掠翼。在飞机起飞或低速飞行时,飞机机翼展开,变成平直翼;在高速巡航时,便收起机翼,变成后掠翼。工程师的一个巧妙的设计,结合了两者的优点。

后掠翼除去升力小的缺点外,还有一个致命的缺陷,叫做“翼尖发散”或“翼尖失速”,就是说飞机机翼的表面受空气粘性影响形成的一薄层气流(术语称:附面层)会从翼根向翼尖流动,在大迎角机动时,翼尖的附面层会因流动过于激烈而与机翼分离,使得飞机失去大部分升力。

3.前掠翼

它的原理很简单,将其机翼所受到的速度进行分解,速度会沿着机翼边缘“流”向机身,因此不容易失速。但将其机翼所受的阻力进行分析,阻力与速度同样“流”向机翼与机身的连接处,所以飞机机身与机翼之间将会承受很大的压力。但这不影响,因为前掠翼结构可以保障机翼与机身之间更好地连接,并且合理地分配机翼和前起落翼所承受的压力。

其优点很多

(1)结构优势:如同上面所说,前掠翼结构可以保障机翼与机身更好的链接:大大提高了飞机在机动时、尤其是在低速机动时的气动性能。

(2)机动优势:前掠翼技术可使飞机在亚音速飞行时具有非常好的气动性能,从而大大提高其在仰角状态下的机动性。若前掠翼布局与推力矢量控制系统综合使用,还可使其在空战中更具优势,其近距空战机动能力将成倍地提高。

(3)起降优势:与相同翼面积的后掠翼飞机相比,前掠翼飞机的升力更大,载重量增加30%,因而可缩小飞机机翼,降低飞机的迎面阻力和飞机结构重量;减少飞机配平阻力,加大飞机的亚音速航程;改善飞机低速操纵性能,缩短起飞着陆滑跑距离。据美国专家计算,F-16战斗机若使用前掠翼结构,可提高转变角速度 14%,提高作战半径34%,并将起飞着陆距离缩短35%。

可控优势:使用前掠翼结构可以提高飞机低速度飞行时的可控性,并能在所有飞行状态下提高空气动力效能,降低失速速度,保证飞机不易进入螺旋,从而使飞机的安全可靠性大大提高。

它自身也存在着缺点,以至于现在前掠翼不能大范围使用。

结构问题:前掠翼的严重问题是在结构方面,沿结构曲线方向的弯曲變形会使外翼沿气流方向增大迎角,增加外翼部分升力,进一步增加机翼的弯曲变形。在足够大的速度下,这种现象会形成恶性循环,直到使机翼弯曲折断。现在还没有材料可以让前掠翼飞机在不增加飞机重量而使飞机机翼的硬度变大。

技术问题:前掠翼飞机技术复杂,并且是新型机型,与之配套的相关技术要求比较高,所以目前前掠翼飞机发展缓慢。

当然,飞机机翼产生升力的原因不仅仅与记忆的面积有关,还和粘性边界、涡流等有关。

三 结论

1.飞机的速度加快,为了保证飞机拥有足够的升力,因此飞机的机翼面积逐渐减小。

2.飞机三种基本机翼,是随着飞机发动机的不断改进,相应设计得到,机翼面积逐渐减小。

猜你喜欢

升力载荷面积
民用飞机机载设备载荷环境
“小飞象”真的能靠耳朵飞起来么?
仰望长空“神龙”出没,捍卫国家空天尊严
平板载荷试验中载荷板尺寸对极限承载力的影响
面积最少的国家
平板屈曲与平板载荷、约束的关系
飞机增升装置的发展和展望
巧用面积法解几何题
水下爆炸载荷作用下圆柱壳总体动态响应分析
三种不规则面积的求法