飞机气动外形的演变与空气动力学的发展.pdf

1、 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/李 业 惠主 题 词 空 气 动 力 学 航 空空 气 动 力 学 是 力 学 的 一 个 分 支 , 它主 要 研 究 物 体 在 同 气 体 作 相 对 运 动 情 况下 的 受 力 特 性 、 气 体 流 动 规 律 和 伴 随 发生 的 物 理 化 学 变 化 。 它 是 在 流 体 力 学 的基 础 上 , 随 着 航 空 工 业 和 喷 气 推 进 技 术的 发 展 而 成 长 起 来 的 一 个 学 科

2、 。 由 于 飞机 是 在 大 气 层 内 飞 行 , 主 要 依 靠 空 气 产生 的 升 力 来 平 衡 飞 机 自 身 的 重 力 、 利 用各 种 气 动 力 来 操 纵 飞 机 的 飞 行 , 因 此 , 空气 动 力 学 的 发 展 对 飞 机 的 诞 生 和 演 变 起着 决 定 性 的 作 用 。空 气 动 力 学 是 一 门 比 较 特 殊 的 科 学世 纪 上 半 叶 , 法 国 力 学 家 纳 维 和 英 国力 学 家 斯 托 克 斯 , 提 出 了 描 述 流 体 动 量守 恒 的 运 动 方 程 , 它 们 被 并 称 为 纳 维 一 斯托 克 斯 方 程 一 方 程

3、 。 一 方 程 作 为空 气 动 力 学 的 基 础 , 与 空 气 动 力 学 的 其他 基 本 方 程 一 起 构 成 了 空 气 动 力 学 研 究方 法 的 全 部 内 容 。 从 理 论 上 讲 , 只 要 给 出了 合 适 的 边 界 条 件 、 利 用 合 适 的 数 学 工具 , 就 可 以 求 解 出 各 种 情 况 下 的 空 气 流动 特 性 , 也 就 可 以 解 决 各 种 物 体 的 空 气动 力 学 特 性 。 但 是 , 虽 然 数 学 手 段 已 经 很发 达 , 至 今 甚 至 在 可 预 见 的 未 来 , 仍 然 无法 给 出 一 方 程 的 理 论

4、解 。 这 样 , 就 形 成了 目 前 空 气 动 力 学 主 要 的 研 究 方 法 一是 理 论 空 气 动 力 学 , 就 是 按 照 各 种 假 定条 件 简 化 复 杂 的 空 气 动 力 学 方 程 , 或 者利 用 空 气 动 力 学 理 论 提 出 种 种 模 型 来 解释 复 杂 的 空 气 动 力 学 现 象 二 是 实 验 空气 动 力 学 , 就 是 利 用 风 洞 模 拟 各 种 飞 行条 件 , 利 用 模 型 分 析 空 气 流 动 现 象 , 或 者测 量 各 种 空 气 动 力 特 性 三 是 计 算 空 气动 力 学 , 它 利 用 计 算 机 计 算 各

5、 种 流 动 情况 下 空 气 动 力 , 这 是 随 着 计 算 机 的 发 展和 应 用 而 发 展 起 来 的 新 方 法 。 随 着 计 算数 学 、 高 性 能 计 算 机 和 软 件 工 程 的 发 展 ,计 算 空 气 动 力 学 将 成 为 越 来 越 重 要 的 方法 。 这 三 种 方 法 将 长 期 并 存 、 相 互 结 合 ,不 断 推 动 空 气 动 力 学 的 发 展 。飞 机 虽 然 只 诞 生 了 年 , 但 空 气 动力 学 的 发 展 却 要 久 远 得 多 。 从 早 期 对 空气 特 性 的 认 识 , 到 “ 航 空 之 父 ” 凯 利 的 研究 ,

6、 都 是 空 气 动 力 学 诞 生 并 发 展 的 重 要基 础 。 体 现 空 气 动 力 学 发 展 程 度 的 最 主要 方 面 就 是 飞 机 外 形 的 变 化 , 分 析 从 飞机 诞 生 到 现 代 飞 机 气 动 外 形 的 变 化 历 程 ,我 们 就 可 以 清 楚 地 看 出 空 气 动 力 学 发 展的 重 大 成 就 。直 机 翼 、 后 掠 翼 与 变 后 掠 翼飞 机 发 展 初 期 , 飞 行 速 度 较 低 , 升 力问 题 是 主 要 矛 盾 。 根 据 空 气 动 力 学 理 论 ,升 力 与 下 面 一 些 因 素 成 正 比 升 力 系 数该 值 主

7、 要 取 决 于 机 翼 剖 面 的 形 状 和 飞 行速 度 、 空 气 密 度 、 机 翼 面 积 , 以 及 飞 机速 度 的 平 方 。 在 低 速 飞 行 时 , 空 气 密 度 可视 为 常 数 , 机 冀 面 积 的 增 大 主 要 取 决 于机 翼 的 材 料 和 结 构 以 及 飞 机 的 重 量 限 制等 。 因 此 , 空 气 动 力 学 研 究 的 重 点 集 中 于提 高 飞 行 速 度 和 升 力 系 数 影 响 升 力 的速 度 被 称 为 有 效 速 度 , 通 常 为 垂 直 于 飞机 前 缘 的 速 度 , 因 此 , 直 机 翼 成 为 各 种 飞机 共

8、同 的 选 择 。 升 力 系 数 与 机 翼 剖 面 的形 状 密 切 相 关 , 因 此 , 翼 型 成 为 世 纪初 研 究 的 重 点 。 最 著 名 的 是 美 国 国 家 航空 咨 询 委 员 会 , 后 改 名 为 国 家 航字 局 , 即 推 出 的 翼 型 , 它包 括 “ 四 位 数 ” 、 “ 五 位 数 ” 和 “ 层 流 翼 型 ”三 大 系 列 , 成 为 以 后 飞 机 翼 型 选 择 的 重要 依 据 。随 着 飞 行 速 度 的 增 加 , 阻 力 问 题 越 来越 突 出 。 阻 力 不 仅 与 飞 机 的 设 计 有 关 , 而且 与 升 力 关 系 密

9、切 升 力 越 大 , 升 力诱 导 产 生 的 阻 力 也 越 大 特 别 是 超 过 声速 之 后 , 由 于 激 波 的 产 生 , 限 力 将 更 大 。这 样 , 在 高 速 飞 行 状 态 下 , 减 少 阻 力 就 成为 主 要 矛 盾 , 特 别 是 推 迟 激 波 的 产 生 和减 弱 激 波 强 度 , 这 一 要 求 导 致 了 后 掠 冀的 出 现 。 由 于 后 掠 角 的 存 在 , 速 度 被 分 解为 垂 直 于 机 翼 和 平 行 于 机 翼 的 两 个 分 量 。根 据 空 气 动 力 学 的 理 论 , 激 波 的 产 生 主要 取 决 于 垂 直 于 机

10、 翼 的 速 度 分 量 , 这 就有 效 的 推 迟 了 激 波 的 发 生 同 时 , 由 于 有了 后 掠 角 , 正 激 波 变 成 斜 激 波 , 从 而 有 效地 减 弱 了 激 波 强 度 。 这 一 切 都 有 效 地 降低 了 飞 行 阻 力 , 后 掠 翼 也 成 为 高 速 飞 机的 标 淮 布 局 。但 是 , 后 掠 翼 也 带 来 了 一 些 问 题 , 特别 是 升 力 的 损 失 , 主 要 原 因 是 速 度 没 有充 分 发 挥 效 益 。 这 也 导 致 了 飞 机 飞 行 性能 的 下 降 , 特 别 是 在 低 速 条 件 下 。 为 解 决这 一 问

11、 题 , 变 后 掠 翼 的 概 念 应 运 而 生 。 从理 论 上 讲 , 变 后 掠 翼 是 一 种 较 为 理 想 的方 案 。 在 低 速 飞 行 时 , 机 翼 后 掠 角 较 小 ,升 力 较 大 , 对 飞 机 起 降 特 别 有 利 高 速年 月 现 代 军 事 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/段 空 , 年 之 跳 空 技 术时 , 机 翼 后 掠 角 较 大 , 有 效 地 减 少 了 阻力 , 提 高 了 高 速 状 态 下

12、的 机 动 性 。 美 国 先后 推 出 了 一 、 一 和 一 等 变 后 掠 翼飞 机 苏 联 也 研 制 了 “ 米 格 一 ” “ 米 格” 、 “ 苏 一 ” “ 苏 一 ” 、 “ 图 一 等变 后 掠 翼 飞 机 西 欧 也 联 合 研 制 了 “ 狂风 ” 变 后 掠 冀 战 斗 轰 炸 机 。 一 年 代 ,变 后 掠 翼 可 以 说 盛 极 一 时 。但 是 , 有 利 必 有 弊 。 变 后 掠 翼 的 应 用也 带 来 了 一 系 列 的 问 题 , 主 要 体 现 在 两个 方 面 一 是 需 要 一 套 复 杂 的 控 制 设 备 ,这 明 显 地 增 加 了 飞

13、机 的 重 量 二 是 由 于后 掠 角 不 断 变 化 , 冀 下 挂 架 也 必 须 不 断调 整 , 导 致 挂 弹 困 难 。 因 此 , 年 代 之后 , 变 后 掠 翼 基 本 上 退 出 了 历 史 舞 台 。掠 角 的 后 掠 翼 上 加 装 大 后 掠 边 条 翼 成 为了 机 翼 外 形 的 主 流 , 一 、 “ 苏 一 ” 和“ 米 格 一 ” 等 战 斗 机 都 采 用 了 这 一 方 案 ,美 国 即 将 服 役 的 一 战 斗 机 也 不 例 外 。正 常 式 布 局 与 鸭 式 布 局除 了 机 翼 之 外 , 飞 机 还 有 平 尾 , 它 的作 用 是 控

14、制 飞 机 的 俯 仰 , 导 致 爬 升 或 俯冲 的 机 动 动 作 。 机 翼 与 平 尾 的 布 局 通 常划 分 为 两 大 类 机 翼 在 前 、 平 尾 在 后 的常 规 布 局 , 以 及 平 尾 在 前 、 机 翼 在 后 的 鸭式 布 局 。常 规 布 局 存 在 两 个 方 面 的 缺 陷 一是 平 尾 的 气 流 容 易 受 到 机 翼 和 机 身 的 影响 , 导 致 气 流 质 量 变 差 , 从 而 影 响 平 尾 的气 动 效 率 。 许 多 大 型 运 输 机 把 平 尾 安 置在 单 垂 尾 的 上 方 称 为 形 尾 冀 , 可 在一 定 程 度 上 降

15、低 这 种 影 响 。 二 是 为 了 控制 飞 机 的 俯 仰 , 平 尾 产 生 的 力 总 是 与 机翼 升 力 方 向 相 反 , 从 而 需 要 机 翼 产 生 更大 的 升 力 来 平 衡 飞 机 的 重 力 。 鸭 式 布 局虽 然 解 决 了 后 一 问 题 , 但 机 翼 的 气 流 容易 受 到 鸭 翼 的 影 响 , 从 而 降 低 机 翼 的 气动 效 率 , 也 得 不 偿 失 。从 一 定 意 义 上 讲 , 莱 特 兄 弟 制 造 的飞 机 和 世 纪 初 法 布 尔 的 第 一 种 水 上 飞机 都 可 以 划 归 鸭 式 布 局 的 范 畴 , 但 因 其固

16、有 的 问 题 , 很 快 就 销 声 匿 迹 了 。 随 着 旋涡 分 离 流 研 究 的 深 人 , 鸭 式 布 局 重 新 得到 重 视 。 瑞 典 研 制 的 一 、 ,西 欧 研 制 的 一 、 法 国 研 制 的 “ 阵风 ” 等 飞 机 都 采 用 了 鸭 式 布 局 。 但 这 时 的鸭 式 布 局 已 与 以 前 大 相 径 庭 , 前 置 的 鸭翼 除 了 控 制 飞 机 俯 仰 运 动 外 , 还 承 担 着旋 涡 发 生 器 的 作 用 , 产 生 从 机 翼 上 表 面拖 过 的 脱 体 涡 , 从 而 起 到 提 高 升 力 的 作用 。 鸭 式 布 局 的 关 键

17、 之 一 是 合 理 配 置 鸭翼 和 机 翼 的 位 置 , 目 前 大 多 采 用 近 距 祸合 的 方 式 , 以 保 证 脱 体 涡 在 机 翼 上 方 不致 发 生 破 裂 。单 垂 尾 与 外 倾 双 垂 尾形 机 翼 与 边 条 翼年 代 之 前 , 飞 机 设 计 的 主 要 技 术思 路 是 尽 可 能 使 气 体 附 着 在 机 体 表 面 ,避 免 或 推 迟 分 离 。 但 随 着 研 究 的 深 人 , 飞机 设 计 的 技 术 思 路 发 生 了 变 化 。 研 究 发现 , 旋 涡 存 在 着 很 高 的 能 量 , 机 冀 之 后 的旋 涡 能 够 改 变 机

18、翼 表 面 的 气 流 速 度 , 对提 高 升 力 有 所 帮 助 。 于 是 , 如 何 利 用 旋 涡提 高 飞 机 性 能 便 成 为 一 个 重 要 课 题 。形 机 翼 的 诞 生 并 成 功 地 应 用 于 “ 协和 ” 式 飞 机 , 是 利 用 旋 涡 的 首 创 。 “ 协 和 ”式 飞 机 的 机 翼 前 缘 不 是 直 线 , 而 是 一 条形 曲 线 。 翼 根 即 机 翼 与 机 身 相 连 处 诱导 出 一 条 脱 体 涡 , 从 机 翼 上 方 拖 过 , 吸 收了 附 面 层 的 能 量 , 从 而 提 高 升 力 。 这 使 得“ 协 和 ” 式 飞 机 的

19、 升 力 不 但 由 从 机 冀 表 面流 过 的 气 流 产 生 , 而 且 由 脱 体 涡 产 生 。“ 协 和 ” 式 飞 机 虽 然 存 在 着 噪 音 大 、 耗 油多 等 多 方 面 的 缺 点 , 但 从 空 气 动 力 学 的角 度 看 , 它 的 诞 生 却 是 一 次 革 命 。 它 不 仅是 第 一 种 超 声 速 客 机 , 而 且 验 证 了 旋 涡分 离 流 理 论 , 标 志 着 利 用 脱 体 涡 的 开 始 。但 是 , 形 机 翼 也 存 在 明 显 的 缺 点 , 主要 是 设 计 复 杂 , 制 造 困 难 , 应 用 受 到 诸 多限 制 。 利 用

20、脱 体 涡 随 之 出 现 了 新 的 思 路 ,这 就 是 以 一 战 斗 机 为 标 志 的 边 条 翼 的利 用 。 边 条 翼 就 是 在 机 翼 翼 根 处 增 加 的一 片 大 后 掠 角 小 机 翼 。 由 于 机 翼 边 条 的存 在 , 机 翼 前 缘 不 是 一 条 直 线 而 是 一 条折 线 , 这 样 , 在 大 迎 角 下 , 机 冀 边 条 产 生的 脱 体 涡 能 够 较 大 幅 度 地 增 加 升 力 , 降低 了 对 机 翼 后 掠 角 的 要 求 。 从 此 , 中 等 后正 常 式 飞 机 与 鸭 式 飞 机 的 比 较 。机 冀 升 力平 尾 升 力重

21、 力重 力除 机 翼 和 平 尾 之 外 , 飞 机 上 的 另 一个 重 要 的 气 动 部 件 就 是 垂 尾 , 它 起 着 控制 飞 机 偏 航 的 作 用 。在 飞 机 发 展 初 期 , 飞 机 主 要 采 用 木质 结 构 、 重 量 较 轻 , 而 且 不 需 要 太 大 的 控制 力 。 因 此 , 当 时 的 飞 机 大 多 采 用 单 垂 尾布 局 , 而 且 高 度 较 低 。 随 着 金 属 材 料 的 广泛 应 用 , 飞 机 的 重 量 不 断 增 加 、 速 度 越 来越 快 , 如 采 用 单 垂 尾 布 局 就 要 求 垂 尾 不断 增 高 , 这 对 材

22、料 和 结 构 的 要 求 就 越 来越 高 。 因 此 , 双 垂 尾 布 局 越 来 越 多 地 应 用于 使 用 台 发 动 机 的 战 斗 机 , 一 、 一 、“ 苏 一 ” 等 重 型 战 斗 机 都 采 用 了 双 垂 尾布 局 。但 随 之 而 来 的 新 问 题 是 , 由 于 垂 尾处 于 飞 机 尾 部 , 流 过 垂 尾 的 气 流 容 易 受到 机 身 和 机 翼 的 影 响 , 气 流 质 量 不 高 。 特别 是 双 垂 尾 布 局 , 垂 尾 的 高 度 较 低 , 这 种影 响 就 更 明 显 。 因 此 , 外 倾 双 垂 尾 布 局 成为 一 种 重 要

23、选 择 , 它 可 以 在 一 定 程 度 上减 少 机 身 和 机 冀 的 影 响 , 从 而 提 高 垂 尾的 气 动 效 率 。 苏 联 的 “ 米 格 一 ” 和 美 国的 一 是 采 用 外 倾 双 垂 尾 布 局 的 先驱 , 一 也 采 用 了 这 种 布 局 。随 着 航 空 技 术 的 发 展 和 作 战 思 想 的变 化 , 飞 机 的 设 计 思 想 也 发 生 了 变 化 机动 性 虽 然 仍 然 十 分 重 要 , 但 信 息 能 力 、 火力 、 隐 身 能 力 的 重 要 性 明 显 提 高 , 推 力 矢量 技 术 渐 趋 成 熟 , 空 气 动 力 学 对 飞 机 外形 的 影 响 开 始 减 弱 。 近 期 也 许 不 太 可 能出 现 全 新 气 动 布 局 的 主 流 飞 机 。 目 前 , 随着 超 燃 冲 压 发 动 机 技 术 的 突 破 和 对 高 超声 速 飞 行 器 的 需 求 , 高 超 声 速 空 气 动 力学 成 为 空 气 动 力 学 研 究 的 一 个 重 要 的 热点 , 可 以 预 计 , 有 关 技 术 的 发 展 必 将 导 致高 超 声 速 飞 机 的 出 现 , 航 空 史 上 的 又 一次 革 命 即 将 来 临 。现 代 军 事 年 月