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改变后掠翼的变形飞机
发布时间:2024-12-04
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雄鹰在高空展翅飞翔时,它们的翅膀是非常灵活的:当它想爬升时,会奋力拍打翅膀;当在高空翱翔时,翅膀伸展至最宽,或者一动不动,或者两边的翅膀扭转一定的角度,利用翅膀倾斜时形状的变化改变迎风的角度和面积,自如地控制飞行。

鸟类是天生的变形飞行专家,它们可以在不同的飞行状态和条件下,非常灵活地调整翅膀的展开幅度、角度和拍打频率。而飞机设计师正是从仿生学的角度出发,从中获取灵感,用来设计变形飞机。那么,飞机设计师为什么要设计变形飞机呢?

在传统的飞机设计中,设计师都是根据不同飞行条件设计不同类型的飞机,从而形成了目前种类繁多的飞机家族。例如强调速度和敏捷性的战斗机,追求巡航经济性的运输机,能够长时间滞空的侦察机等。各种不同类型飞机的设计制造和维护配套设备众多,使航空飞行成本很高。为此,欧美等航空发达国家都在积极致力于变形飞机的研究,以适应多种飞行状态,完成多项飞行任务。比如,一架飞机既能做战斗机鏖战长空,又可以摇身一变做运输机。民用飞机采用变形技术,可以针对飞行各阶段的不同要求改变机翼的平面形状,如在巡航阶段可增大机翼的展长或改变弯度,以达到增大航程的目的;或利用发动机进气道和尾喷口变形技术,在保持同样航程的情况下,达到降低噪声、节省燃油的目的。

飞机设计中一个关键的参数,是展弦比。以前的飞机的机翼从上往下看大多呈长方形,机翼展开的宽度b和翼弦宽度c之比称为“展弦比”。由于后来机翼的设计不再采用长方形,展弦比重新定义成机翼宽度的平方和机翼面积的比例。

由此可见,飞机若要变形,并改变飞行的性能和特点,一个重要的关键是能改变展弦比。美国正在研制的可变形飞行器,和传统飞行器相比,相关指标要达到:机翼展弦比可以变化200%,机翼面积能够变化50%。

除展弦比外,飞机后掠角也是非常重要的参数。参考后掠角的定义和前面鸟类与飞机展弦比的示例,我们可以知道,后掠角大的飞机(如“夜鹰”F-117),相当于鸬鹚俯冲时收起翅膀,可以极大地提高飞行速度。不过,后掠角大的飞机产生的升力较小,在起飞和着陆时需要较长的距离。比如一般战斗机起飞滑跑要1000米以上,重型轰炸机则要2000米以上。

变形飞机的另一个功能是可以改变后掠翼:在起飞、着陆和巡航时,机翼在平直位置;要加速时,机翼便可后倾。许多作战飞机采用可变后掠翼后,可以在200米范围内起落甚至垂直降落。美国正在研制的可变形飞行器,机翼后掠角能够变化20°。

上面展示的变形飞机,都采用机械的方法(展开、滑动、折叠),在高速飞行中平滑地改变机翼形状和展弦比。