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要的就是这股子拧劲——漫谈超音速飞行的机翼
 

 

 飞机的奥妙就在于机翼。从莱特兄弟到现在,除了航空动力外,几乎每一次航空技术的重大突破都离不开在机翼上作文章。机翼产生升力,机翼也是阻力最大的来源;机翼还是实现超音速飞行的奥妙所在。

机翼产生升力,机身装载人和货,机翼和机身连接的地方自然成为承力的集中点,翼根需要极大地加强,使结构重量增加。但机翼-机身的传统结构至今依然是飞机的主流,最新的波音 787 也不能例外

  机翼产生升力源于气流从前往后的流动,这之后到底是贝努力效应在上下翼面之间的速度差引起的压力差造成的,还是机翼后缘的下洗气流造成的,我们就不去追究了。但机翼产生升力,机身是“死重”,这个问题使机翼和机身的连接部受力很高,从结构上讲效率不高。最好的办法是所有的载重都在机翼内,那样结构强度要求最低。理论上讲,要是升力和重力正好抵消,纸做的飞机都可以。当然实际上这不可能,还没有上天,重量已经把纸蒙皮压穿了。不过这说明,没有机身、只有机翼的飞翼的大方向正确。

诺思罗普很早就开始研究飞翼,这是 40 年代的 N9M 飞翼

诺思罗普曾打算研制飞翼客机

这样很多乘客可以体验只有飞行员的才看得到的景色了

今天最出名的飞翼当然非 B-2 轰炸机莫属

没有了传统的机身,使 B-2 相对不大的尺寸可以达到比 B-52 还大的载弹量和航程

  传统飞翼还是两侧对称的,也就是说,机身虽然没有了,但两侧“机翼”的后掠角还是一样的,所以还是有后掠翼的所有问题。平直翼是升力最大的,但平直翼阻力大。后掠翼可以减少阻力,在超音速飞行时,就需要后掠角很大的大后掠翼了。

  超音速飞行的挑战在于激波。飞机的速度超过音速之后,空气的波动传导速度还是音速,所以飞机前端的空气被急剧压缩,形成锥形的锋面。前锋压力急剧升高,锋面后压力迅速下降,空气速度降低到亚音速。机头引起的激波是没有办法的,但机翼“躲”在激波锥的后面,不激起自己的激波,就可以有效地躲开激波阻力和压力剧变引起的颤振问题。除了大后掠翼外,短翼展机翼也可以做到“躲”在机头激波锥的后面,但这是另外一个问题了。

X-15 的激波,可以看到,短粗的梯形机翼躲在机头的主激波锥之后,否则机翼自己产生的激波阻力也是不得了。长一点的平直翼肯定伸到机头激波锥外面,但大后掠翼也可以躲在机头激波锥后面,而不导致额外阻力

  大后掠翼“躲”在机头的激波锥的前锋后面,解决了超音速飞行的问题,但带来了新的问题。后掠角加大后,纵向气流在机翼展向流动的分量加大,造成升力损失。在速度降低后,机翼本来产生的升力就低,升力损失更加要命,所以大后掠翼的飞机的起落速度都很高,对机场跑道长度的要求很高。

  大后掠翼的另一个问题是巡航油耗也高。机翼的相对厚度是实际厚度与机翼弦长(从前到后的距离)之比。机翼的弦长是渐变的,实际厚度也不完全一样,所以相对厚度也是渐变的,讨论只能取一个平均值,或者按惯例取 1/4 翼展的地方的值。相对厚度较高,机翼较肥厚,产生同等的升力所需要的机翼表面积小,阻力小,或者说升阻比高,这样巡航就省油。另一方面,相对厚度低,绝对阻力就小。滑翔机的机翼细长和超音速飞机的机翼短粗就是这个道理。对于同一个机翼,宽度和厚度已经固定,但增大后掠角的话,弦长增加,相对厚度也随之减小。

 

滑翔机的机翼相对厚度较高,升阻比很高,加上很大的翼展,可以靠空气中的上升气流飘飞很久

两倍音速以上的 F-15 的机翼就比较短粗

  变后掠翼就是要利用同一机翼在不同后掠角的不同气动性质,达到在不同速度下都最优的效果。但变后掠翼有很多麻烦,不仅有机械上的,还有总体布置上的。变后掠翼在 60 年代时行过一阵,后来因为重量、机械可靠性和其他实际困难而消隐。今天的新一代军民用飞机已经没有变后掠翼设计的了。

即使退休了 F-14 依然是名气最大的变后掠翼飞机

高速飞行时,机翼增加后掠,降低阻力

  但变后掠翼的概念依然吸引人,如果能消除变后掠翼的不足,这还是一个很有生命力的概念。于是斜翼(oblique wing 或者 slanted wing)的概念粉墨登场。斜翼在低速时是平直翼,也就是说没有后掠。随着速度的增加,一侧后掠角增加,另一侧反向前掠,好像整个机翼拧过来一样。从空气的角度来看,这还是后掠,只是机翼只有“一边”,没有了“另一边”。

AD-1 是至今唯一飞起来的载人斜翼飞机

但斜翼的梦想开始于 50 年代超音速客机的研究

  斜翼在结构上少了变后掠翼的很多问题,比如说变后掠翼的铰链位置很不好确定,但斜翼的铰链位置只有一个:在中间。要是斜翼飞机根本没有了机身,而是飞翼,就更没有问题了。

  斜翼不是没有问题的。问题之一是起飞着陆时翼展巨大,但这是飞翼的通病,不是新问题。要是斜翼不做的很大,问题不太严重。另一个问题是机翼-机体的角度一直在变,飞行员座舱的角度随着变,操作会很别扭。不过要是斜翼飞翼用于无人机,这些就不是问题了。

  美国国防先进研究局(DARPA)和诺思罗普正在研究两种斜翼飞翼,都是无人机。一种是所谓“折刀”,在斜翼中央翼下吊挂一对发动机;另一种在斜翼的两侧中段各吊挂一个发动机。

诺思罗普“折刀”在低速时就像平常的飞翼

但高速时,就好像斜挑着扁担一样

这是诺思罗普的另一个方案

随着速度的增高,斜翼的后掠角增大

M1.2 的时候已经达到 65 度的后掠角。通常大后掠翼飞机要在低速和高速性能之间平衡,M1.2 还不敢用这么大的后掠角,实际上损失了一些超音速性能。斜翼就没有这个顾虑,只要需要,后掠角还可以继续增大,只要不是前面的发动机挡着后面的路就成

  “折刀”估计还是用机械的方法扭转斜翼,用飞控系统补偿反力矩作用,维持正常飞行。另一种尚不知名的斜翼飞翼则更加巧妙,用两台发动机的相对推力差扭转斜翼。理论上,铰链可以自由旋转,根本不需要液压或者别的机械作动机构产生扭转。当然,两台发动机的推力方向要保持平行,否则互相拉扯起来会不好办。这可以用平行的机械连杆做到,并不复杂。

  这两种斜翼飞翼将具有很大的翼内油箱,可以在低速到超音速范围内保持最高的气动效率,是居家旅行杀人放火的必备利器。这两种斜翼现在还是实验性的,还没有太大的实用价值,最多以后用作侦察、监视什么的,或许还能载弹攻击。斜翼在未来也不大可能扩展到常规的客机或者战斗机,货机倒是有可能。总的来说还是比较偏门,不过是非常有意思的思路。

  谁说拧着不好?要的还就是这股子拧劲!

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