前掠翼飞机 具有前掠翼的飞机

我们常见的飞机机翼大多是后掠的。机翼前、后缘向前伸展(前掠)的飞机被称为前掠翼,前掠翼与后掠翼正好相反,梢弦在根弦的前面,左右翼俯视投影形成一个V字。前掠翼是和后掠翼同时提出的,两者推迟激波产生的原理是完全相同的。

早在1944年纳粹德国就制造了第一架前掠翼飞机容克斯Ju-287,机翼前掠角为15°。这是世界上的第一种前掠翼喷气式轰炸机。在1943年,Junkers公司的由Hans.Wocke领导的设计小组受命研制一种能够超越盟军任何战斗机的重型轰炸机。

前掠翼飞机Ju-287






Ju-287开始提出的方案是涡轮喷气发动机和后掠翼方案。这种方案在高速飞行中优点明显,低速时则有不易操纵的缺点。因此,设计小组提出:将后掠翼方案改为前掠翼方案,兼顾高速和低速飞行的需要。前掠翼虽然高低速性能均优秀,但是存在气动发散问题:即当速度和仰角达到一定值时,很难保证飞机的静稳定性。仰角越大,机翼的弯曲变形越大,直至结构被破坏。前掠翼对飞机机翼的结构和弹性变形有特殊要求。为此,在设计Ju-287时对机翼结构进行了一些改进。

  为了加快研制进度,第一架原型机Ju-287V1机身采用He177A的现成部件:机尾沿用Ju-388;主起落架沿用Ju-352;前起落架甚至取自被击落的美军B-24轰炸机。只有前掠翼是重新设计的。装用4台Jumo004m型涡轮喷气发动机,两台布置于前机身两侧,另两台吊装翼下。1944年8月16日,Ju-287V1首次试飞,结果十分令人满意。可是在接下来的试飞中,当速度达到650KM/h时,气动发散问题开始出现,幸而只是感觉舵效减小,飞机不自主地趋于俯冲。经过将前机身侧的发动机改为翼下悬挂,问题得到抑制,并增加增压座舱,这就是第二种原型机Ju-287V2,使用4台Heinkel-Hirth011A喷气发动机,每侧翼下挂两台。由于该发动机生产厂被盟军炸毁,不得已改为使用6台BMW003A-1发动机。如每侧翼下悬挂3台,称为Ju-287V2;如每侧翼下悬挂2台,前机身侧保留1台,和V1型一样,称为Ju-287V3型,即预生产型Ju-287A-0.

1945年,生产线上未装配好的V2型和Hans.Wocke及设计小组被苏军俘虏,带回苏联对Ju-287计划继续研究。1947年Ju-287在苏联试飞,称为пп-2,达到了1150KM/h(M0.95)的速度。当时的技术水平,前掠翼的气动发散问题无法彻底解决,所以并未进一步发。

在飞行中,当垂直于机翼前缘的气流速度接近音速时,机翼上表面局部气流速度将超过音速,出现激波,使飞行阻力急剧增加。前掠翼技术可使飞机在超音速飞行时具有非常好的气动性能,从而大大提高其在仰角状态下的机动性。若前掠翼布局与推力矢量控制系统综合使用,还可使其在空战中更具优势,其近距空战机动能力将成倍地提高。与相同翼面积的后掠翼飞机相比,前掠翼飞机的升力更大,载重量增加30%,因而可缩小飞机机翼,降低飞机的迎面阻力和飞机结构重量;减少飞机配平阻力,加大飞机的亚音速航程;改善飞机低速操纵性能,缩短起飞着陆滑跑距离。据美国人计算,F-16战斗机若使用前掠翼结构,可提高转变角速度14%,提高作战半径34%,并将起飞着陆距离缩短35%。使用前掠翼结构可以提高飞机低速度飞行时的可控性,并能在所有飞行状态下提高空气动力效能,降低失速速度,保证飞机不易进入螺旋,从而使飞机的安全可靠性大大提高。

前掠翼的严重问题是在结构方面,沿结构曲线方向的弯曲变形会使外翼沿气流方向增大迎角,增加外翼部分升力,进一步增加机翼的弯曲变形。在足够大的速度下,这种现象会形成恶性循环,直到使机翼弯曲折断。这个现象称弯扭发散。开始弯扭发散的速度称弯扭发散(临界)速度。为了提高前掠翼的弯扭发散速度,需增加机翼抗弯刚度,这就会导致机翼结构重量的增加,以致完全抵消采用前掠翼带来的好处。这是前掠翼飞机很少被采用的主要原因。上世纪70年代以后,有人提出用复合材料结构的弯扭变形耦合效应克服前掠翼发散的缺点,也就是通过布置不同纤维方向的铺层,使机翼的弯曲变形引起附加的负扭转变形,从而抵消由升力引起的前掠翼正扭转。这样可以得到不发散而重量轻的前掠机翼,前掠翼飞机遂又引起人们的注意。在那一时期人们重新燃起对前掠翼飞机的热情,很多公司对此进行了预先研究掀起了一股前掠翼飞机热潮。

诺斯鲁普的前掠翼战斗机设想图


罗克韦尔的前掠翼战斗机全尺寸模型


1976年,美国的DARPA(国防部先进计划研究机构)资助通用动力,罗克维尔和格鲁曼公司三家公司进行前掠翼气动布局的前期研究。1977年,DARPA(美国国防高级研究计划局)和美国空军飞行动力学实验室(现莱特实验室)开始联合研制一种前掠翼试验机,并将其命名为X-29A。1981 年 1 月,DARPA 否决了通用动力的 F-16/SFW 方案,选择了格鲁曼的 712 方案(在 F-20虎鲨机身上发展的 X-29)。F-16/SFW 的落选主要是由于政治因素,因为当时在 NASA 进行研究飞行的飞机中,F-16占了多数(AFTI,CCV,F-16XL),另外一个经常被引用的解释是“使用同一种平台将会限制研究”,当然现在那些仍用于飞行研究的F-16 反驳了这种说法。

F-16 SFW(Swept Forward Wing)设想图

最终的格鲁曼X-29A


有趣的是 X-29A 大约使用了 16% 的 F-16 成品部件,包括 F-16的电传系统。1981年,格鲁曼飞机公司被选中建造两架X-29A。第一架X-29A于1984年12月14日在爱德华兹空军基地首飞成功,这是美国X系列试验飞行器计划停滞近十年后的首次飞行,标志着美国重新开始了向航空科研领域最高峰的攀登历程。格鲁曼公司对X-29A进行了4次试验飞行后,于1985年4月将其转交给NASA 完成余下的试飞工作。

X-29A是X系列试验飞行器中十分重要的一员,用于试验前掠翼技术以及为达到下一代战斗机所要求的高机动性、轻重量、低成本、高效率而应用的其它先进技术。X-29A机长 16.44 米,机高 4.36 米,翼展 8.29米,采用全动式鸭翼、前掠机翼、后机身边条布局,机翼内半翼后掠,外半翼前掠,两半翼交汇处的不利气流由鸭翼产生的脱体涡卷走,使机翼有较好的升力特性。X-29A的机翼采用铝合金和钛金属结构,石墨环氧树脂复合材料的蒙皮。X-29A的飞行控制系统可以极大的减小由前后其余两台可以及时接替其工作。X-29A 安装有一台通用电气的 F404-GE-400涡扇喷气发动机,其最大推力为 7,260 千克。

试飞结果表明,X-29A 在 M0.9/9,100米的设计点飞行情况相当好.在随后一系列试验飞行中,X-29A表现出了极佳的大迎角飞行能力。在45度的迎角飞行中,X-29A具有优异的控制响应。即使到了67度的极限,X-29A的表现同样不错,并且具有很好的滚转操纵性。要知道这是不借助任何附加翼面和推力矢量技术而实现的,所以 X-29A这些飞行试验的意义非比寻常。1992年,X-29A 还进行了一系列的涡流控制(VFC)试验,同样取得了大量有价值的试验数据。

X-29A的一系列试飞使美国充分掌握了前掠翼飞机,对其特性进行了大量分析,最终一些研究成果作为技术储备,然而美国人最后还是回归了传统,在第四代战斗机选型中没有一家提出前掠翼飞机,究其原因在于隐身性的要求,前掠翼在一定程度上破坏了隐身构型。同时随着飞控技术的进步,前掠翼飞机气动优势,都可以被先进的电传操控系统和推力矢量系统实现,因此在强调4S能力的第四代战斗机里,前掠翼飞机无法实现综合性能的平衡,最终败下阵来。

无独有偶,俄罗斯苏霍伊设计局研制的苏-47“金雕”战斗机也是前掠翼飞机,是作为俄罗斯第五代战斗机的技术验证机,1997年9月25日首飞,最早被称为S-32,不久改称为S-37,2002年又被重新命名为苏-47。其设计重点突出在大迎角下的机动性和敏捷性以及飞机的低可探测性,基本的尺寸和重量数据与苏-37类似,机头、机尾和座舱与苏-35相似,起落架与苏-27K相同,采用苏-35/37的4余度数字式电传飞行控制系统。该机采用前掠机翼,有明显的机翼翼根边条和长长的机身边条,能降低阻力和减少雷达反射信号,改善飞机的起飞着陆性能,在亚音速和大攻角时有很好的气动性能,可增加飞机的航程和高空机动性,并能充分利用复合材料的结构特性。扇形不可调进气口道位于机身边条下方,S形进气道侧面靠近机翼前缘处装有鸭翼。双垂尾略向外倾斜,机身中部有两个大的辅助进气门,并且采用雷达吸波涂料对飞机进行了隐身处理。但最后俄罗斯人也同样回归传统,最终确定的第五代战斗机原型是T-50。

苏-47“金雕”


对于像X-29A这样的试验机往往只会有一两架的产量,模型也极少,但幸运的是X-29A就会有长谷川这样的厂家眷顾,长谷川出品的1:72的X-29A开模质量非常好,全机细凹线,有局部凹钉,尽管细节不多,但该有的基本都有,作为1:72的比例是够了。模型水贴给出就是X-29A试验机的标准涂装,质量也不错,原以为这么大面积的水贴会有开裂,但实际上不但没有而且韧性极好,出乎我的意料。长谷川的水贴很不稳定,有些就非常好,有些则下水即碎,看来是代工厂家的问题,长谷川为啥不选家好的固定下来呢。

下面看模型吧,模型较为简单,制作工程就没拍,直接上成品。

这是盒子封绘


上水贴前,留个影

成品照。







前掠翼飞机 具有前掠翼的飞机









  

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