向气动极限冲刺
——NASA 在第四代战斗机气动领域的早期探索
西约特兰
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20 世纪 80 年代中后期由于空对空导弹的发展,对战斗机空战性能的要求已经从持续高 G 转向机动性能演变到快速指向的敏捷性。以往被视为空战禁区的失速和过失速领域,现在看来却被视为克敌制胜的重要法宝。 X-29 的矢量推进计划 1936 年德国人首度提出前掠翼飞机的设计概念,但是当时并没有建造出一架模型出来,一切都还只停留在图纸的阶段。而到了二战末期,飞机的空速越来越快,当传统的平直翼构形(即机翼与机身呈 90 度垂直)的飞机接近声速时,流过机翼的上层表面的气流会因为比机体更接近声速,而产生扰流,使飞机的操作变得更困难。因此产生了后掠翼和前掠翼的相关研究,希望能解决这个问题容克发展了 Ju 287 进行在前掠翼方面的尝试。与此同时,美国有一家名不见经传的小飞机公司 Cornelius 在 1944 年也建造了二架前掠翼无动力的燃料运输滑翔机,但是美国人在这个计划上,同样也没有继续下去。到了二战结束,NACA 的专家曾在风洞中测试前掠翼飞机的设计,并发现了前掠翼飞机的一些潜在的优点。而前苏联在俘虏了一些德国科学家后,在这个领域上有一些尝试,但是最后还是放弃了。1964 年,一家德国的飞机制造公司建造了 50 架 HFB-320 商用的前掠翼喷气式客机,这应该是前掠翼飞机第一个进入生产,实用化的机型了。
Ju 287 的前掠翼布局更多是为了配平机头发动机的需要
Cornelius XFG-1 前掠翼滑翔机
HFB-320 采用前掠翼布局是为了尽量扩展客舱空间 这些早期发展的前掠翼飞机碰上了许多问题,而 NACA 的专家在更多的风洞测试后发现前掠翼飞最主要的缺点在于气动弹性发散,使得机翼的强度设计必需大辐度增加,远超过当时传统材料所能达到的范围。而且机翼设计强度的要求还会随飞机速度的增加而大辐增加,使得传统的刚性材料几乎不可能造出超音速的前掠翼飞机。一直到了 20 世纪 70 年代中期,新的复合材料出现料出现,使得这个问题得到改善。先进的复合材料使得机翼可以以更轻的重量获得更高的强度,并允许一定程度的弯曲,以降低机翼因为扭曲变形而折断导致飞机失事坠毁的机率。然后陆续才有一些飞机公司投入前掠翼飞机方面的研究。到了 20 世纪 70 年代末期,罗克维尔公司提出 Sabre bat 战斗机的模型,通用动力则是改装了 F-16,但最后 DARPA 在 1981 年还是选择了 Grumman 公司的版本。
前掠翼反向的展向流动导致翼尖弹性气动发散的问题
外形很科幻的罗克维尔公司 Sabre bat 战斗机模型
F-16 FSW 模型
最后获胜的格鲁曼 X-29 方案,沿用了 F-20 虎鲨的机体 |
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