關(guān)于機(jī)翼形狀的發(fā)展歷程及對(duì)飛機(jī)升力影響的探究分析

符騰川

【摘要】 本文總結(jié)了飛機(jī)機(jī)翼形狀的發(fā)展過(guò)程，先后出現(xiàn)了平直翼、后掠翼和前掠翼。并從理論上簡(jiǎn)要分析了三種典型形狀的機(jī)翼對(duì)飛機(jī)升力的影響。得到了三種機(jī)翼發(fā)展先后順序的原因。

【關(guān)鍵詞】 承載 面積 升力 載荷

【中圖分類號(hào)】 G632.4 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A 【文章編號(hào)】 1992-7711（2017）02-178-02

飛機(jī)是現(xiàn)今一種重要的交通工具，它的發(fā)展史也不過(guò)100多年。但是飛機(jī)在發(fā)展的路程上，出現(xiàn)了許多種奇形怪狀的機(jī)翼。各種形狀的機(jī)翼對(duì)飛機(jī)的飛行速度、加速度等各種性能都會(huì)產(chǎn)生巨大的影響。因此本文主要研究飛機(jī)發(fā)展過(guò)程中各種形狀機(jī)翼產(chǎn)生的原因。

飛機(jī)在飛行過(guò)程中受到四種作用力： 1，升力——由機(jī)翼產(chǎn)生的向上作用力2，重力——與升力相反的向下作用力，由飛機(jī)及其運(yùn)載的人員、貨物、設(shè)備的重量產(chǎn)生3，推力——由發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的向前作用力4，阻力——由空氣阻力產(chǎn)生的向后作用力，能使飛機(jī)減速。

機(jī)翼的主要功用是產(chǎn)生升力，以支持飛機(jī)在空中飛行；同時(shí)也起一定的穩(wěn)定和操縱作用。是飛機(jī)必不可少的部件，在機(jī)翼上一般安裝有飛機(jī)的主操作舵面：副翼，還有輔助操縱機(jī)構(gòu)襟翼、縫翼等。另外，機(jī)翼上還可安裝發(fā)動(dòng)機(jī)、起落架等飛機(jī)設(shè)備，機(jī)翼的主要內(nèi)部空間經(jīng)密封后，作為存儲(chǔ)燃油的油箱之用。

因?yàn)轱w機(jī)的機(jī)翼先后出現(xiàn)了平直翼、后掠翼和前掠翼。本文將介紹這幾種典型的機(jī)翼，根據(jù)物理原理分析比較幾種機(jī)翼的特點(diǎn)，從而得到這幾種機(jī)翼出現(xiàn)順序的原因。

一、三種機(jī)翼的發(fā)展過(guò)程

1.平直翼

平直翼是指飛機(jī)機(jī)翼面積大而長(zhǎng)，機(jī)翼迎風(fēng)面十分平直，圖2為平直機(jī)翼模型。平直翼是最早出現(xiàn)的，萊特兄弟所測(cè)試的“飛行者1號(hào)”和“飛行者2號(hào)”都是標(biāo)準(zhǔn)的平直翼。其后一直到二戰(zhàn)，平直翼一直在沿用。早期飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)功率低、重量大，建造機(jī)體的材料大多是木材和蒙布。

2.后掠翼

后掠翼是由德國(guó)空氣動(dòng)力學(xué)家在20世紀(jì)30年代提出的，為其當(dāng)時(shí)先進(jìn)的噴氣機(jī)專門(mén)設(shè)計(jì)的一種機(jī)翼。直到1950至1960年間，噴氣機(jī)的廣泛應(yīng)用，后掠翼就開(kāi)始普遍應(yīng)用?？梢哉f(shuō)，后掠翼是專門(mén)為超音速飛機(jī)而設(shè)計(jì)的

3.前掠翼

圖4為蘇聯(lián)的蘇37金雕戰(zhàn)斗機(jī)，這是標(biāo)準(zhǔn)的前掠翼飛機(jī)：機(jī)翼前緣和后緣的傾角均向前，機(jī)翼面積與后掠翼相比小很多。

二、理論分析

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，飛機(jī)的機(jī)翼是給飛機(jī)提供升力的重要部件。由表面的蒙皮和內(nèi)骨架組成，其產(chǎn)生的升力與機(jī)翼面積成正比。與空氣作用，從而能夠克服重力在空氣中漂浮。再加上飛機(jī)自身的動(dòng)力裝置，飛機(jī)便可飛行了。

首先，我們來(lái)了解一下什么是升力。升力來(lái)源于機(jī)翼上下表面氣流的速度差導(dǎo)致的氣壓差。在真實(shí)且可產(chǎn)生升力的機(jī)翼中，氣流總是在后緣處交匯，否則在機(jī)翼后緣將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)氣流速度為無(wú)窮大的點(diǎn)。這一條件被稱為庫(kù)塔條件，只有滿足該條件，機(jī)翼才可能產(chǎn)生升力。這一條件被稱為庫(kù)塔條件，只有滿足該條件，機(jī)翼才可能產(chǎn)生升力。

根據(jù)這一條件，便得出公式：Y=1/2ρCSv2

Ρ：空氣密度

C：升力系數(shù)

Y：升力（升力垂直于氣流速度方向，向上為正）

v： 氣流相對(duì)于物體的流速

S ：參考面積（飛機(jī)一般選取機(jī)翼面積為參考面積）

1.平直翼

由升力系數(shù)Cl = L/（qS）公式可知：在低速度條件下需要產(chǎn)生足夠的升力，需要較大面積的機(jī)翼。所以一戰(zhàn)就出現(xiàn)了三翼機(jī)和雙翼機(jī)。直到二戰(zhàn)，飛機(jī)的動(dòng)力提升。雙翼機(jī)和三翼機(jī)機(jī)翼產(chǎn)生了空氣阻力不方便快速飛行，故將機(jī)翼數(shù)量降低到單翼。

2.后掠翼

后掠翼形特點(diǎn)是，其前緣和后緣均向后掠。機(jī)翼后掠的程度用后掠角的大小來(lái)表示，掠角為銳角。根據(jù)受力分析，后掠翼所受的空氣阻力會(huì)沿著機(jī)翼的邊緣“流出去”，從而減小了阻力，增加了飛行速度。

后掠翼也同時(shí)存在著缺點(diǎn)：亞聲速時(shí)升力效率較低，翼尖容易先失速。因?yàn)閷⑺俣纫策M(jìn)行拆解，當(dāng)自由流吹過(guò)后掠翼時(shí)由于展向分速，總速度被分解掉了一部分，實(shí)際有效的法向分速就降低了，升力也降低了。因此，后掠翼飛機(jī)的雖然在飛行速度上有很大的優(yōu)勢(shì)，但在升力方面有很大的劣勢(shì)。工程師為了應(yīng)對(duì)這問(wèn)題，便創(chuàng)造出了可變后掠翼。在飛機(jī)起飛或低速飛行時(shí)，飛機(jī)機(jī)翼展開(kāi)，變成平直翼；在高速巡航時(shí)，便收起機(jī)翼，變成后掠翼。工程師的一個(gè)巧妙的設(shè)計(jì)，結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)。

后掠翼除去升力小的缺點(diǎn)外，還有一個(gè)致命的缺陷，叫做“翼尖發(fā)散”或“翼尖失速”，就是說(shuō)飛機(jī)機(jī)翼的表面受空氣粘性影響形成的一薄層氣流（術(shù)語(yǔ)稱：附面層）會(huì)從翼根向翼尖流動(dòng)，在大迎角機(jī)動(dòng)時(shí)，翼尖的附面層會(huì)因流動(dòng)過(guò)于激烈而與機(jī)翼分離，使得飛機(jī)失去大部分升力。

3.前掠翼

它的原理很簡(jiǎn)單，將其機(jī)翼所受到的速度進(jìn)行分解，速度會(huì)沿著機(jī)翼邊緣“流”向機(jī)身，因此不容易失速。但將其機(jī)翼所受的阻力進(jìn)行分析，阻力與速度同樣“流”向機(jī)翼與機(jī)身的連接處，所以飛機(jī)機(jī)身與機(jī)翼之間將會(huì)承受很大的壓力。但這不影響，因?yàn)榍奥右斫Y(jié)構(gòu)可以保障機(jī)翼與機(jī)身之間更好地連接，并且合理地分配機(jī)翼和前起落翼所承受的壓力。

其優(yōu)點(diǎn)很多

（1）結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)：如同上面所說(shuō)，前掠翼結(jié)構(gòu)可以保障機(jī)翼與機(jī)身更好的鏈接：大大提高了飛機(jī)在機(jī)動(dòng)時(shí)、尤其是在低速機(jī)動(dòng)時(shí)的氣動(dòng)性能。

（2）機(jī)動(dòng)優(yōu)勢(shì)：前掠翼技術(shù)可使飛機(jī)在亞音速飛行時(shí)具有非常好的氣動(dòng)性能，從而大大提高其在仰角狀態(tài)下的機(jī)動(dòng)性。若前掠翼布局與推力矢量控制系統(tǒng)綜合使用，還可使其在空戰(zhàn)中更具優(yōu)勢(shì)，其近距空戰(zhàn)機(jī)動(dòng)能力將成倍地提高。

（3）起降優(yōu)勢(shì)：與相同翼面積的后掠翼飛機(jī)相比，前掠翼飛機(jī)的升力更大，載重量增加30%，因而可縮小飛機(jī)機(jī)翼，降低飛機(jī)的迎面阻力和飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量；減少飛機(jī)配平阻力，加大飛機(jī)的亞音速航程；改善飛機(jī)低速操縱性能，縮短起飛著陸滑跑距離。據(jù)美國(guó)專家計(jì)算，F(xiàn)-16戰(zhàn)斗機(jī)若使用前掠翼結(jié)構(gòu)，可提高轉(zhuǎn)變角速度 14%，提高作戰(zhàn)半徑34%，并將起飛著陸距離縮短35%。

可控優(yōu)勢(shì)：使用前掠翼結(jié)構(gòu)可以提高飛機(jī)低速度飛行時(shí)的可控性，并能在所有飛行狀態(tài)下提高空氣動(dòng)力效能，降低失速速度，保證飛機(jī)不易進(jìn)入螺旋，從而使飛機(jī)的安全可靠性大大提高。

它自身也存在著缺點(diǎn)，以至于現(xiàn)在前掠翼不能大范圍使用。

結(jié)構(gòu)問(wèn)題：前掠翼的嚴(yán)重問(wèn)題是在結(jié)構(gòu)方面，沿結(jié)構(gòu)曲線方向的彎曲變形會(huì)使外翼沿氣流方向增大迎角，增加外翼部分升力，進(jìn)一步增加機(jī)翼的彎曲變形。在足夠大的速度下，這種現(xiàn)象會(huì)形成惡性循環(huán)，直到使機(jī)翼彎曲折斷。現(xiàn)在還沒(méi)有材料可以讓前掠翼飛機(jī)在不增加飛機(jī)重量而使飛機(jī)機(jī)翼的硬度變大。

技術(shù)問(wèn)題：前掠翼飛機(jī)技術(shù)復(fù)雜，并且是新型機(jī)型，與之配套的相關(guān)技術(shù)要求比較高，所以目前前掠翼飛機(jī)發(fā)展緩慢。

當(dāng)然，飛機(jī)機(jī)翼產(chǎn)生升力的原因不僅僅與記憶的面積有關(guān)，還和粘性邊界、渦流等有關(guān)。

三 結(jié)論

1.飛機(jī)的速度加快，為了保證飛機(jī)擁有足夠的升力，因此飛機(jī)的機(jī)翼面積逐漸減小。

2.飛機(jī)三種基本機(jī)翼，是隨著飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的不斷改進(jìn)，相應(yīng)設(shè)計(jì)得到，機(jī)翼面積逐漸減小。