正文 第十一章 會旋轉的機翼——螺旋槳的性能(二)(1 / 3)

戰鬥機的增升裝置

從整個戰鬥機的發展曆史來看,其飛行速度是越來越快,機翼的載越來越大,飛機的起降速度也越來越大,起落滑跑距離越來越長,“因而對飛行員的技術要求也越來越高。為了解決這一問題,就必須提高飛機低速飛行時的氣動特性,即增大升力、改善起落性能。因此人們想到了能不能把機翼的一部分做成活動的(除副機翼外),可以改變機翼的彎度和機翼麵積的大小。平時將活動部分收回去,起落時將其打開,以增加升力。這種可增加升力的活動機翼麵就稱為增升裝置。最早使用增升裝置的是英國的S4飛機(1914年),這是一種雙機翼機,在其機翼後緣安裝了簡單的機翼。但是,在雙機翼機上安裝後緣機翼,其作用是有限的因為雙機翼剖麵很薄,加上機翼後機翼更容易失速。失速現象往往是突然出現的,非常危險。使用後緣機翼,在增大機翼升力的同時增大了機翼前緣的吸力峰值,使機翼麵氣流分離提前,從而產生失速現象。正因為如此,盡管當時出現了後緣機翼,但是大多取雙機翼機飛行員都不願意。

在研究增長裝覃時,關鍵的突破是開縫機翼的發明和使用。1917年,英國義漢德利佩季在做機翼試驗時,使用的機翼在前緣附近有一條展向縫隙。在試驗中,空氣可以通過展向縫隙從下表麵流向上表麵。試驗結果出乎他的預料,不僅機翼的失速迎角增大,而且最大升力也提高了50%至60%。與此同時,德國的拉赫曼也發現了這一縫隙效應。後來,兩人合作將這一原理應用於機翼設計,從而出現了一種新的增升裝置——縫機翼。在雙機翼機的薄機翼上使用縫機翼也很有效。正常飛行時使縫隙處於關閉狀態,而大迎角飛行時將機翼的前緣板條向前移動打開機翼縫。

這種裝置後來用在美國的F-86噴氣戰鬥機上,改善了其盤旋性能。後來在F4戰鬥機上,對裝前緣縫機翼和不裝前緣縫機翼的情況進行了對比飛行試驗,其結果也是這樣。總之縫機翼對大迎角飛行非常有利,但是對提髙飛機的起落性能作用不大。

30年代中期,單機翼機的設計越來越多,翼的使用也相當普遍,這時人們開始把注意力轉向開縫機翼上。開縫機翼與當時盛行的分裂機翼相比,增升作用更大,而且在中等程度的偏轉角時阻力更低,因此它可以用來改善飛機的起飛性能,在著陸時也與分裂式機翼一樣有效。後來發展到機翼和機翼一起使用,甚至采用多重後緣機翼,其增長效能更加突出。

戰鬥機的潔靜的氣動外形

在30年代初期,人們開始對機翼和機身連接處的空氣動力幹擾問題進行研究。從而發現配置的機翼所造成的幹擾阻力最大。相當於將一個圓形機身放到機翼頂上,其不利的幹擾會引起機翼麵上的氣流分離,產生很大的阻力。不僅如此,機翼的升力也會因受其影響下降,而且分離後的氣流流向尾部,還會對尾機翼的操縱和穩定性效能造成影響。

既然低配置機翼在氣動方麵有那麼多缺點,可是在實際中這種機翼身布局為什麼又那麼流行呢?這裏主要有三個方麵的原因:首先是低機翼飛機的機翼在下麵,離地麵近,可將起落架設計得更短小,有利於起飛著陸,如果采用低配置機翼離地麵可以更近,其有利地麵效應會更好,便於飛機起飛和著陸安全;此外,美國人經過研究試驗發現,如果將機翼身連接處進行必要的整流處理,可使其缺點得到一定的改善。因此,低配置機翼特別是後來的下單機翼,曾經被許多戰鬥機所采用。

戰鬥機的全動平尾

早期的噴氣式戰鬥機,如英國的“流星”、“吸血鬼”,美國洛克希德公司的F-80和前蘇聯米高揚設計局的米格-15等。它們的水平尾機翼均為傳統式的,由固定的水平安定麵和操縱的升降舵組成。二次大戰結束後,人們加速了對超音速飛行的研究與探索,直到50年代扨,美國的F-100“超佩刀”和前蘇聯的米格第一代噴氣式超音戰鬥機的問世,全動水平尾機翼才開始被廣泛應用。

為什麼超音速戰鬥機要采用全動式水平尾機翼,主要有以三個原因:第一,與亞音速流動情況相比,在超音速流中操縱麵(如升降舵)的效應隻限於鉸鏈的下遊區。之所以會這樣,是因為亞音速和超音速流的不同特性所決定的。從空氣動力學可知,在低速和亞音速飛行時,擾動是可以向前傳的,因為擾動的傳播速度是音速,它大於飛行速度。所以,在亞音速條件下操縱升降舵,前麵的安定麵也會受到影響,使整個平尾的氣動力增加或減小。而在超音速飛行時情況則不同,因為擾動的傳播速度小於飛行速度,擾動不能前傳,因此操縱升降艙時前麵的安定麵不會受影響,形象地說就是缺少了安定麵的幫助,所以操縱效能會卞降。

第二,對於超音速飛機來說,速度經過垮音速區時,氣動力中心(作用點)會向後移,造成飛機的縱向穩定性過大,隻有加大俯仰操縱艙麵才能使飛機具有足夠的縱向機動能力。一般來說,為了穩定性的需要,飛機的氣動力中心本來就設計在重心之後,再往後移勢必使穩定性增加、操縱性下降。第三,展弦比相對大的升降航,其氣動彈性變形的影響又會使它的效率進一步降低。正因為這些原因,為了提髙飛機的縱向操縱性能,超音速戰鬥機多采式子尾。

操縱麵加大,操縱杆力也會隨之加大,以至於人力所不能及,所以超音速戰鬥機往往要采用助力係統,以幫助飛行員操縱飛機。助力係統裝有可感受飛行速度和高度變化的真空膜盒,以便自然的操縱感覺。

戰鬥機水平尾機翼的位裏

後掠機翼飛機很容易失速,而機翼在失速會導致機翼氣動力中心的移動,同時使尾機翼處的下流作用更加嚴重,使水平尾機翼的操率下降。從過去到現在,人們一直在想方設法采取措施來延遲機翼麵氣流的分離,防止機翼尖失速。最普通的辦法是采用旋渦發生器、機翼刀和鋸齒等。旋渦發生器是安裝在機身上用以產生小旋渦的小機翼片,一般由多個或多組片組成。旋渦發生器產生的小旋渦旋轉速度很快,當它緊貼機翼麵流過時可把髙能量的氣流帶進附麵層內,相互摻混,從而達到改善機翼麵流動狀態和防止氣流分離的作用。

機翼刀是在後掠機翼上加裝的刀狀機翼麵,一般由一個或多個組成。機翼可以阻止機翼麵氣流沿流動,以防止或延遲機翼在的氣流分離。鋸齒是指後掠機翼或三角機翼上,外機翼相對於內機翼向前凸出的前緣。鋸齒的作用與旋渦發生器相似,飛行時它會產生旋渦流過機翼麵,給附麵層增加能量;它還有類似機翼刀的作用,阻止後掠機翼附麵層向機翼尖流動,以防止機翼尖氣流分離;對細長機翼來說,鋸齒還有改善縱向穩定性的作用。

為了避開或減小機翼後的尾流影響,對平尾的上下位置也可以進行調整。50年代出現的噴氣式戰鬥機,如美國麥道公司的F-101、洛克希德公司的F-1W、前蘇聯米高揚設計局的米格-15和米格-17均采用了高平尾,而其他型號的戰鬥機幾乎都采用了低平尾。以後,有的戰鬥機甚至把平尾移到了機身的下部,如F-5和F-20戰鬥機。調整平尾的位置,其0的是要離開機翼後方的強尾流區盡可能遠一些,這對於戰鬥機,尤其是小展弦比的戰鬥機來說是很重要的