知乎收藏·战机的后掠翼,变后掠翼,三角翼,鸭翼各自的特点是什么?

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作者:KOP115OF

这个问题简直就是一部二战后战机气动发展史,要是往详细了说能说上好几天,我还是尽量简短一些。

首先先上一张二战时期战斗机的图片:

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你会发现二战时期的战机差不多都是这种平直翼加活塞螺旋桨的飞机。平直翼➕螺旋桨的组合赋予了飞机很好的起降性能。

当时的设计师们发现不管怎么增加发动机马力,可是飞机的速度却很难上去。思来想去是发动机的问题,螺旋桨难以带来更快的速度,于是在二战末喷气式发动机出现了。

人们得到了能飞高速的发动机,自然也没有放弃追逐高速的脚步,这个时候用什么样的翼型成了困扰设计师最大的问题。

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首先来看歼五,这种早期喷气战斗机,设计师们尝试增加后掠角来增加飞机的速度,的确飞机速度相对于二战螺旋桨是上去了,可是依然没有达到人们突破音速的追求。

于是设计师们开始思考,是不是后掠角还不够大?

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于是后期的一代机就成了歼六这样大后掠角,可是后掠角加大带来反而是翼尖失速和起降性能差。(补充一下翼尖失速:战机正常工作需要气流像红色箭头那样划过机翼,后掠翼带来的问题就是气流沿着机翼往翼尖发散了,气流这样走就影响了战机的正常工作。)

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人们不得不往机翼上加翼刀来抑制气流的展向流动,从而防止翼尖失速的产生。 (这些机翼上的小隔板就是翼刀)

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设计师们就发现这样夸张的后掠角速度没上去多少显然这是一条邪路。单纯的后掠翼是战后飞机设计师探索喷气式飞机迈出的第一步,优点是相比平直翼,速度上去了,但也就是仅此而已。

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既然一味的加大后掠角不行,那么怎样的机翼才能实现超音速呢?

要跨越音速就必须要直面音障,要尽可能地把机身收在机头引起的激波后面。于是设计师们提出: 机翼要坚固,要简洁——三角翼几乎完美地满足了设计师的需求,三角够坚固,把机身收在了机头激波的后面,最大程度上减少了超音速所带来的阻力,甚至还出现了达索那样把平尾都省了的无尾三角翼布局。

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如果是没有收到机头造成的激波后面,则会有更多的点引发激波,带来更大阻力的同时也对战机结构带来了挑战。

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机翼收到机头激波后面则就好得多

(以上两张图截自军武次位面第二期15集~我作图质量太渣,画了几次都不能用无奈只能去盗图了……)

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三角翼也是人们探索战机超音速迈出的重要一步,人类成功跨过了音速,2倍音速,冲击了三倍音速但是速度快就意味着战斗力强吗? 当然不是,三角翼赋予了战机飞过音障的能力,翼尖失速的问题依然得靠翼刀解决。

这种人操火箭带来了高速,也带来了亚音速机动性的平庸和超长的起降距离,记录可以这么刷,但是空战可不是刷记录。

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成功跨过了音障的设计师开始思考平直翼起降好但是飞不快,三角翼能飞快但是起降与低速性能不好,怎样才能设计一款低速起降好又能飞高速的飞机呢?——做一架变形金刚!

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你看这小家伙,翅膀打开了是平直翼,收起来又像个三角翼能快能慢,就是重了点,上面这架米格23是手动档的,上个天还得不停换挡影响空战心情,还是美国人有黑科技,搞了自动挡的大猫,间隙还有气囊来完善各种后掠角下的气动外形。只是自动档就不能享受驾驶飞机的乐趣了……

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变后掠翼解决了战机同时拥有高速和低速性能的问题,当然在战斗机上每一克重量都十分金贵,付出的代价就是结构重量。(但是变后掠翼解决了轰炸机航程与速度不可兼得的问题,当然这又是别的故事了)

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结构重量怎么能忍!翼刀、变后掠翼什么的都不能忍!——处女座的设计师

苏联人在米格23上惊奇的发现,米格23在飞行的时候,翼尖失速的现象并不是很明显。难道是共产主义信仰加成?当然不是,研究了半天原来是可变后掠翼与机身的连接处豁口在飞行时拉出的涡流,涡流在机翼上形成了类似于虚拟翼刀的作用。明白了真相的苏联设计师大惊:原来还可以这样玩!(Ps:美国人其实比苏联人早些就在气动实验室里搞清楚了这个问题)之后的战机发展就是涡流的世界了。

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人们开始研究怎样才能在战机主翼上拉出涡流,并且更好地利用它。

Ps:评论区有大佬让补充一下涡升力的知识:

空气在接触物体突起边缘时容易形成涡流,大多数时候,涡流会影响控制翼面正常工作,所以大多数飞机平尾和主翼都是错开的不在一个平面上,这样主翼引起的涡流就不容易干扰平尾。

飞机能够飞起来,就包含了一个很经典的知识:中学时代物理课上,老师让我们在两张平行放置的白纸中间吹气使纸张中间的气流加速,这个时候两张纸就因为压力差的原因合上了。飞机也是如此,机翼上下方的气流流速不同,形成的升力将飞机抬了起来。

随着气动技术的发展,设计师们发现有的时候经过翼面上的涡流也会产生有利影响,当涡流从主翼上方经过时,形成低压区,加大了机翼上下方的压力差,达到了增大升力的效果。所以设计师们也就想到在主翼前方加一个后掠角极大的突起(边条)来拉出涡流。

于是出现了以F16,苏27这样的带有边条翼的战机,利用边条拉出的涡流赋予了这一批战机良好的起降能力和高亚音速能力,同时强大的发动机和后掠的机翼又保证了速度不慢,以前J8这样的高速三角翼飞机伴飞P3这样的低速螺旋桨飞机很容易出事故,换了苏27不仅能全程伴飞,心情不好了还能做个筒滚甚至能逼急了还能操控战机用尾翼切开你的发动机~

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再往后边条鼓的就越发的明显了,像是FA18EF,枭龙那样的哥特式大边条:

可以明显的看出拉出来的涡。

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~以上插播一些问题中没问的边条翼知识,不然总觉得接不到鸭翼上

战斗机气动外形发展到这个阶段,基本就已经没有啥大的问题了,人操火箭般的高速有了,高亚音速机动性已经可以跟上螺旋桨飞机了,结构重量也减下去了,还有啥?

设计师:我觉得还可以在平尾上做一些文章….

于是设计师们思考平尾放在后面是用来调整战机俯仰,我们把它放到主翼的前面,这样既不被主翼上的气流干扰,又能操控战机俯仰,并且能拉出涡流,还能在飞机降落的时候当减速板用,这样一举多得岂不美哉?

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想法虽好,但是实施起来又是另一番景象,平尾的前置带来的升力中心前移使得飞机的安定性下降,往好了说就是更灵活了,操作杆动一动飞机能动三动,往坏了说就是这飞机像一匹烈马根本没法驾驭。

于是电传操控则成了鸭式布局飞机的必备,靠着无数风洞试验编写出的飞控软件再加上算力强大的计算机,帮助人来驾驭这个飞机。这时的人们发现,这匹驯服了的野马不仅听话,而且瞬时机动性能强大,能快速地将机头指向目标,瞄准开火先敌一步,即便主翼是三角翼也能做到短距起降,亚音速性能也是杠杠的,就是飞控难写了点…..

至此题主问的这些战斗机气动布局我大概说了一遍,再往后就是四代机的故事了。

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战斗机的发展本质上就是提出问题,解决问题,然后提出新问题的过程。之前战斗机气动布局的发展大体上是线性的,设计师们攻克了一个又一个连续的技术难关,让战机性能提升。

这个时候的战斗机虽然还面临着一系列的问题(比如评论区有大佬提到的人操火箭的问题,还有超音速后只能三十秒真男人的问题),但是基本已经够用了,不然这一代飞机的气动也不会从七十年代一路用到现在。

要讨论第四代战机,我们就必须去看另外一颗科技树:

今天我们虽然嘴上说着把新一代以隐身外形为主打设计的战斗机划为第四代战斗机,但是单独把隐身飞机拎出来讨论,很多人又喜欢把这一代飞机称之为第三代隐身战机,其原因在于最早期的隐身飞机并不是为空战而设计的。

在那个战斗机并不愿意为对地攻击付出一磅重量的年代,危险系数最高的要数那些突破敌方防空网去执行踹门打击任务的飞行员,于是那一批研究对地打击飞机的设计师们一直在思考:要怎么做,才能让那些飞行员不被对方雷达发现?

雷达波与可见光本质上属于波的范畴,于是讨论这个问题,我们可以用可见光来说明:

中学知识告诉我们在漆黑的夜里,我们打着手电筒照路,这个时候人眼能看到物体,得益于物体表面不规则引起的漫反射,如果我们用光滑的镜面把手电筒的光线反射到夜空呢?是不是就成了一抹黑?

再举一个例子:

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自行车尾部反射灯,大家都不陌生,为的就是在夜里尽可能的让其他行人发现你,我们如果将其拆开,会发现里面是一个一个的直角反射面:

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感兴趣可以去看看光学大佬回答:https://www.zhihu.com/question/56823046

(上面的图片也来自于这个回答)

雷达发射天线就好比手电筒,雷达接收机就好比人的眼睛。所以想要让雷达发现不了,就必须让机身光滑不形成漫反射,尽量把雷达波反射到无关紧要的方向,并且要避免战机上出现直角。

飞机要飞什么是不可或缺的?答案是机翼! 所以一切与雷达反射面相关的东西除了机翼,能不要就不要,这就是飞翼式布局。

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在这样理论的指导下,F117应运而生,是不是镜面?没有一个直角?是不是只有一个大机翼?为了隐身采用倾斜式全动垂尾,别说是上世纪八十年代,即便在今天也是妥妥的黑科技。

然而F117为了隐身牺牲太多,之前我们讲涡升力的时候讲过,战机上的突起会引发涡流干扰战机操控翼面,这家伙身上全是突起。进气道用了遮挡处理导致推力偏低,内置弹仓设计又导致弹药挂在量不足,还有为了隐蔽必须夜间出航 还要无线电静默,完全没有自卫能力,一旦被发现必死无疑。

本身气动不佳再加上飞行员顶着被发现击落的压力胆战心惊地一个人夜间出航,还不能用无线电跟后台诉苦排解压力,导致F117虽然战绩辉煌,但是事故坠毁的117比被击落的要多得多……

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评论区有大佬指出117并不属于飞翼式布局,于是我考证了一下,这里应该是我疏忽了,我们现在来看看真.飞翼布局。

二战时候有一位元首,他在陆地上拥有着一座动物园的同时还在天上有着一座黑科技园,最早的飞翼式布局也要追溯到二战时期元首的黑科技。

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Ho 2_29 世界上首架喷气式飞翼机,其实某种程度上它也是世界上第一架具有隐身性能的喷气式飞机,全机只用了极少数的钢材,其余为木质结构。

有人说它材料大量使用木材是为了隐身穿过盟军的防空雷达网,也有人说是为了降低机身重量增大航程从而深入打击盟军腹地,也有人说此时的德国已是强弩之末,用木头是迫不得已……总之这位哥已经被盟军缴获了好多年,可是江湖上哥的传说就没断过。

那就有人问了只不过是用木头做了架飞机,怎么就隐身了呢?其实这要从雷达的工作频段说起,常用的探测雷达工作在分米、厘米波波段,这个波段被人们称为微波。

是不是听起来耳熟,没错,我们食堂热剩菜剩饭的那个家伙发射的也是微波,因此我们可以用微波炉来说明问题:微波照射到极性、非极性跟金属材料上分别会出现吸收、透过、反射三种不同的现象。往日常了说你用一杯水放进微波炉,转三分钟水就开了,因为水是极性分子波的能量被吸收转换成了热。你把干燥的空塑料碗放进去转是不会升温的 因为波透过去了。但是千万不要尝试把金属不锈钢碗放进去,因为很可能一些老式微波炉设计不好,会把加热用的微波到处反射,弄坏微波炉是小,伤到人就不好了,毕竟人也是水做的……

(当然雷达也有用米波的,只是米波精度不高原本已经处在被淘汰的边缘,近些年来有人发现米波雷达反隐身效果不错,米波有源相控阵雷达被中国人搞得有声有色的)

Ho2-29的隐身性能很大程度上来自于它木质材料的透波属性。

话锋一转来到了世纪末,美国人在F117上尝到了甜头,可是117的外形的确是太反人类,有棱有角的机身加大空气阻力缩短了航程不说,安全性能也得不到保证。设计一款大航程大挂载的隐身飞机成为了设计师们思考的问题,于是也就有人想到了二战时这架元首的末日黑科技。结合二战飞翼布局的灵感和最新的科技成果——幽灵问世了。

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此时飞翼布局这个概念被重新拿出来,还真有一种“萧瑟秋风今又是,换了人间”的感觉,随着隐身技术的发展,人们在飞机上用的雷达吸波涂层和隐身气动外形设计上已经取得了长足的进步,飞机要实现隐身可以不再依赖木头,也不再非要用117那样棱角分明的外形。

想要了解吸波材料的伙伴们可以看看这篇综述的引言,大致上有个了解:

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庞大的B2燃油足矣可以跨洲际打击,一个最大起飞重量在一百五十吨以上的大家伙在雷达上不过是一只鸟的面积,全得益于独特的隐身细节处理:

B2的机身采用严格的平行锯齿化设计,雷达波打上来只会反射到两个预定的方向(安全区),发动机进气口尾喷口采用隐身化处理,进气道采用S型遮挡了雷达反射重灾区之一的发动机叶片,这个大家伙没有尾翼,只能靠机尾的偏流板小幅度的偏转来实现飞行方向的控制。

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这种处女座设计师搞出来的轰炸机,如果真要挑出一点缺点的话,那大概就是贵吧……

文章作者: 1379号监听员
文章链接: https://listener1379.site/2019/知乎收藏·战机的后掠翼,变后掠翼,三角翼,鸭翼各自的特点是什么?/
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