白狐的軍事科普:可變后掠翼

可變后掠翼(Variable-sweep wing)是一種可隨不同飛行情況而改變掠角的設(shè)計(jì)。這樣的設(shè)計(jì)可以同時(shí)利用后掠翼在高速以及直線機(jī)翼在低速下的優(yōu)點(diǎn),但會(huì)增加飛機(jī)重量和結(jié)構(gòu)復(fù)雜度。


概念
可變后掠翼的飛機(jī)的概念,是從一些用來測(cè)試掠翼性能的實(shí)驗(yàn)用飛機(jī)而來的。而首部此類型的實(shí)驗(yàn)機(jī)種就是Messerschmitt Me P.1101。它的掠角只能在地面調(diào)較,而在飛行時(shí)卻不能。以不同的掠角作出了的試飛后,就可找出當(dāng)中最合乎中道的掠角。
歷史
第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束時(shí)Me P.1101戰(zhàn)斗機(jī)被帶到美國貝爾飛機(jī)作更深入的研究,制造了一批可于飛行時(shí)改變翼角的版本。在測(cè)試貝爾X-5,他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)機(jī)翼向前展開時(shí),壓力中心亦隨之向前,把機(jī)鼻推向下。為了解決這個(gè)根本性的問題,這類的設(shè)計(jì)一定要添加一個(gè)特別的系統(tǒng)才可使用。
對(duì)于不論速度高低都能飛行的飛機(jī)來說,可變后掠翼十分實(shí)用。故此可變后掠翼最初應(yīng)用于軍用航空飛行器上。
1952年的格魯門XF-10F美洲豹戰(zhàn)斗機(jī)|F-10F美洲豹(Jaguar)是美國首部可變后掠翼曾經(jīng)服役戰(zhàn)斗機(jī)。不過F-10F是一個(gè)失敗之作而且美國海軍亦對(duì)此機(jī)沒有很大的興趣。飛機(jī)的重量不斷上升,翼的載重亦隨之而上升。直至1960年代可變后掠翼的意念再被提出,藉降低飛機(jī)重量和翼載重來提高升降的性能。美國政府最后于實(shí)驗(yàn)性戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗機(jī)計(jì)劃TFX (Tactical Fighter Experimental Program)中采用了可變后掠翼裝置,研發(fā)出首部可變后掠翼飛機(jī)通用動(dòng)力F-111。
戰(zhàn)后不久,巴恩斯·沃利斯就開始著手于可變后掠翼,將超音速飛行的成本降至最低。最初他是為軍方“野鵝計(jì)劃”效力,之后他去到“燕子”,計(jì)劃目標(biāo)是于10小時(shí)內(nèi)來回歐洲和澳洲。1950年代他成功測(cè)試一個(gè)超過2馬赫的設(shè)計(jì),但最后政府卻放棄繼續(xù)支持他。后來沃利斯和他的團(tuán)隊(duì)到美國尋求資助他繼續(xù)研究,但卻得不到人支持他。
蘇聯(lián)亦有類似的需要,由中央空氣動(dòng)力學(xué)研究所(TsAGI)負(fù)責(zé)研究可變后掠翼飛機(jī)的可行性。研究所開發(fā)出兩個(gè)不同的平面形狀planform,主要的分別是一對(duì)翼轉(zhuǎn)軸之間的距離占整個(gè)翼展的百份比。更寬的翼轉(zhuǎn)軸間距不僅可以減少改變后掠翼時(shí)產(chǎn)生的不利的氣動(dòng)效應(yīng),而且提供了一個(gè)可作為起落架或stores pylon的更大的固定翼。這事實(shí)上可以或多或少對(duì)于機(jī)身有所適應(yīng),蘇聯(lián)人不久后,在蘇霍伊Su-17(基于早期后掠翼的蘇霍伊Su-7)和圖波列夫Tu-22M(基于圖波列夫Tu-22)上做了改進(jìn)。但更寬的翼轉(zhuǎn)軸間距的局限在于它在減少了技術(shù)難度的同時(shí)也減少了可變幾何翼面帶來的好處。中央空氣動(dòng)力學(xué)研究所(TsAGI)設(shè)計(jì)了一種類似于F-111的更窄的空間安排。這種設(shè)計(jì)被用于(雖然規(guī)模不同)米格-23戰(zhàn)斗機(jī)和Su-24戰(zhàn)斗轟炸機(jī),它的原型機(jī)完成于上世紀(jì)60年代,并于上世紀(jì)70年代初開始服役。
歐洲(北約)在可變后掠翼的應(yīng)用代表是由英德意三國(聯(lián)合成立了帕那維亞飛機(jī)公司)聯(lián)合研制的龍卷風(fēng)戰(zhàn)機(jī)??勺兒舐右砑夹g(shù)的應(yīng)用在冷戰(zhàn)末期達(dá)到最高水平,代表作是美國的B-1“槍騎兵”(Lancer)和前蘇聯(lián)的圖-160。
自70年代后再?zèng)]有新設(shè)計(jì)的戰(zhàn)機(jī)使用可變后掠翼,這有多方原因:
第四代戰(zhàn)機(jī)追求機(jī)動(dòng)性,對(duì)速度的要求下降,到了90年代的F/A-18E/F,即極速只得1.6馬赫也會(huì)接受,速度低了,降低阻力也就不再那樣重要。
隨計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)步,可以設(shè)計(jì)出以更低的代價(jià)實(shí)現(xiàn)相差不大的性能的傳統(tǒng)機(jī)翼
應(yīng)對(duì)低速時(shí)的可控性、升力需要可以用幾何可變機(jī)翼,例如翼面擾流板、前緣機(jī)動(dòng)襟翼等,不一定要用可變后掠翼。
降低阻力并不再像以往那么重要,因?yàn)椋婕夹g(shù)改進(jìn),推力比以往增加了不少,最佳例子就是F-22的F119-PW-100,那使氣動(dòng)阻力不比以住有大改善也能做到超音速巡航。
隱身性能成了近乎必要,可變后掠翼會(huì)增加設(shè)計(jì)難度或降低隱身效果。
可變后掠翼架構(gòu)復(fù)雜(以F-14的翼盒為例),后勤維修較難,成本和重量皆比傳統(tǒng)機(jī)翼大。
實(shí)際上并不是有其他設(shè)計(jì)可以完全取代可變后掠翼做到的性能,例如取代有可變后掠翼的F-14的F/A-18在酬載量、航程上都較F-14大幅減少,其中一個(gè)主因正是機(jī)翼設(shè)計(jì)上的分別??勺兒舐右碜龀傻牡闹亓吭黾右膊皇菄?yán)重得不可接受,例如以60年代尾以復(fù)合材料等技術(shù)制造的F-14,空重跟以90年代技術(shù)制造的F-22幾乎相同,而且有低后多的翼負(fù)荷(F-14是234.4kg/m2,F(xiàn)-22是377 kg/m2)。而可變后掠翼也可能可以有一定隱身能力。使用與否在乎設(shè)計(jì)者所追求的是那一方的性能,以及兼顧可維修性及成本。
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