張　揚(yáng)

研制背景及設(shè)計(jì)思想

為了滿足實(shí)驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)和制造一系列驗(yàn)證機(jī)是十分必要的。但有限的資金投入又不允許龐大驗(yàn)證機(jī)體系的全面建設(shè)。以上矛盾的解決關(guān)鍵在于找到驗(yàn)證機(jī)開發(fā)和資金投入的平衡點(diǎn)。為了降低驗(yàn)證機(jī)的開發(fā)成本并降低風(fēng)險(xiǎn)，模塊化思想是一種有參考價(jià)值的研究思路。其核心方法是最大限度地使用通用機(jī)身，搭配相應(yīng)的機(jī)翼和發(fā)動(dòng)機(jī)，形成多種實(shí)驗(yàn)功能不同的氣動(dòng)布局。

模塊化復(fù)雜氣動(dòng)布局驗(yàn)證機(jī)

后掠翼高速方案高速方案在機(jī)身前段安裝后掠鴨翼，鴨翼與機(jī)身間采用切尖梯形翼連接。主翼采用雙三角后掠形式，內(nèi)段后掠角大于外段。采用后掠翼型主要是考慮飛機(jī)工作在超聲速狀態(tài)時(shí)，后掠翼布局是推遲激波產(chǎn)生的成熟方案。同時(shí)，鴨翼和主翼之間可以實(shí)現(xiàn)旋渦的耦合作用，實(shí)現(xiàn)主翼升力的增加。鴨翼和主翼為遠(yuǎn)距耦合布局，有利于在起飛時(shí)提供較大的抬頭力矩。為了滿足超聲速飛行對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)大推力的需求，動(dòng)力系統(tǒng)采用四發(fā)雙側(cè)翼根布局，每側(cè)各兩臺(tái)。進(jìn)氣道均為后掠唇口，可以滿足高速飛行時(shí)進(jìn)氣口復(fù)雜激波環(huán)境的進(jìn)氣需要。在高速方案中，鴨翼和主翼采用遠(yuǎn)距耦合，這種設(shè)計(jì)有利于實(shí)驗(yàn)鴨翼對(duì)飛機(jī)俯仰姿態(tài)的控制規(guī)律以及鴨翼在復(fù)雜氣流環(huán)境下對(duì)主翼表面渦流的影響。由于前端鴨翼產(chǎn)生的渦流影響的主翼區(qū)域有限，所以如果要充分利用鴨翼和主翼之間渦流的有利耦合，就應(yīng)當(dāng)采用小展弦比的后掠翼型。來(lái)自前端鴨翼的氣體渦不僅會(huì)打在主翼上，同時(shí)也會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道產(chǎn)生影響。前端鴨翼產(chǎn)生的渦流對(duì)主翼上的渦流脫體有抑制作用?；谶@一現(xiàn)象，可以設(shè)想該渦流也可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道流場(chǎng)進(jìn)行約束，通過(guò)合理的鴨翼布局，高速巡航時(shí)能夠有效地在發(fā)動(dòng)機(jī)前組織健全的進(jìn)氣流場(chǎng)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行十分有利。考慮到每側(cè)的兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)都需要受到鴨翼渦流的影響，所以發(fā)動(dòng)機(jī)改變了傳統(tǒng)的橫向并排布局，采用了縱列式，這樣鴨翼渦流就能最大限度地影響每側(cè)的兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)。

混合前掠翼方案混合前掠翼方案在機(jī)身前段安裝了聯(lián)接式組合鴨翼，可用于新型鴨翼氣動(dòng)布局的實(shí)驗(yàn)。連翼式鴨翼綜合了后掠鴨翼和前掠鴨翼各自的優(yōu)點(diǎn)，并且提高了翼身的強(qiáng)度，減弱了鴨翼在高速環(huán)境和亂流中產(chǎn)生的顫振。在鴨翼末端還安裝有翼梢帆片，可以有效地改善鴨翼上、下表面的流線偏斜，抑制翼尖渦的擴(kuò)大，減小鴨翼翼尖渦對(duì)主翼的不利影響，同時(shí)鞏固鴨翼翼身旋渦與主翼漩渦之間的有利耦合。機(jī)身中段安裝后掠直翼梁，機(jī)身后段安裝大面積組合式前掠翼。前掠翼中部為大面積菱形翼，主要起切尖梯形翼的作用?；旌锨奥右矸桨钢续喴聿糠趾椭饕聿糠侄际腔旌弦硇汀Ｆ渲续喴聿糠值暮舐佣翁幱谒矫?，而前掠段的翼根處帶有上反角。這樣的設(shè)計(jì)一方面可以避免翼后脫體渦打在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道內(nèi)，另一方面為前端后掠鴨翼的有利渦流順利穿過(guò)前掠段翼面提供空間，從而在發(fā)動(dòng)機(jī)前形成有利的渦流，將氣體約束在機(jī)體表面，推遲附面層的分離，有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。同時(shí)，機(jī)身隆起表面與發(fā)動(dòng)機(jī)唇口共同構(gòu)成無(wú)附面層進(jìn)氣道，使附面層從進(jìn)氣道兩側(cè)滑出，防止附面層進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率。從鴨翼后端脫離的渦流一部份用于約束發(fā)動(dòng)機(jī)前的進(jìn)氣流場(chǎng)，另一部分向外延伸，與主翼構(gòu)成有利耦合，改善主翼的升力特性。由于主翼是前掠翼，氣體渦趨向翼根，所以鴨翼的有利渦流也應(yīng)當(dāng)趨向翼根才能與主翼渦流相遇。要使鴨翼渦流趨向翼根，就應(yīng)當(dāng)采用前掠翼，這就是鴨翼有后掠翼和前掠翼混合組成的原因。后掠段用于產(chǎn)生發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣有利渦流，前掠翼用于形成對(duì)主翼有利的耦合渦流。同時(shí)，這種連接結(jié)構(gòu)也有利于增大鴨翼的強(qiáng)度，提高鴨翼的載荷，對(duì)鴨翼效能的充分發(fā)揮有利。

混合連翼方案在混合連翼方案中，采用了遠(yuǎn)距耦合鴨翼的設(shè)計(jì)，使鴨翼的渦流打在連翼的連接處，將連接處的氣動(dòng)影響限制在較小范圍內(nèi)，同時(shí)抑制連接處的復(fù)雜附面層破壞主翼表面的正常渦流。連翼采用的是大展弦比的設(shè)計(jì)，主要是想通過(guò)這一方發(fā)揮連翼增加航程的性能。大展弦比機(jī)翼本身就有較好的延程特性，但不能適應(yīng)高速飛行。采用連翼后，大展弦比機(jī)翼的強(qiáng)度大大增加，在高速飛行時(shí)展長(zhǎng)較大的機(jī)翼不會(huì)因?yàn)檫^(guò)度顫振而降低效率，這樣就可以在大航程和高航速之間找到平衡點(diǎn)。在后掠翼和前掠翼之間還安裝有大容積油箱。這種雪茄形油箱可以增大飛機(jī)的載油量，同時(shí)油箱本身作為連接部件將后掠翼和前掠翼連接起來(lái)，在前掠翼上又增加了一個(gè)支點(diǎn)，進(jìn)一步提高了機(jī)翼的強(qiáng)度。將油箱布置在遠(yuǎn)離機(jī)身的地方，可以提高飛機(jī)的安全性。即使飛機(jī)迫降在跑道上，油箱起火后也不會(huì)直接殃及機(jī)身內(nèi)部，為逃生爭(zhēng)取了寶貴的時(shí)間。混合連翼方案采用了機(jī)腹進(jìn)氣方式，在機(jī)腹中部安裝有一對(duì)腹鰭翼，可提高飛機(jī)的橫向穩(wěn)定性，結(jié)合外置的油箱設(shè)計(jì)，該方案可以被改裝成穩(wěn)定的空中加油平臺(tái)?；旌线B翼方案主要用于大展弦比大航程亞聲速飛機(jī)的實(shí)驗(yàn)，其成果可用于亞聲速干線客機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、預(yù)警機(jī)、加油機(jī)的研制。同時(shí)，連翼布局也有利于連翼前后段機(jī)翼相互影響機(jī)理的研究。

模塊化可偏轉(zhuǎn)旋翼驗(yàn)證機(jī)

四發(fā)偏轉(zhuǎn)方案四發(fā)偏轉(zhuǎn)方案在尾部機(jī)身裝有兩臺(tái)長(zhǎng)距傳扭渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)長(zhǎng)梁中的驅(qū)動(dòng)軸向尾部的兩組槳葉傳遞動(dòng)力。同時(shí)在機(jī)身中部安裝有平直機(jī)翼，翼中裝有兩臺(tái)可偏轉(zhuǎn)渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)，在發(fā)動(dòng)機(jī)短艙外側(cè)保留一段機(jī)翼和翼梢小翼。四臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)均連接的是小直徑槳葉，轉(zhuǎn)速介于直升機(jī)槳葉和槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)槳葉之間。根據(jù)V-22“魚鷹”的使用經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)機(jī)翼兩端的發(fā)動(dòng)機(jī)向上偏轉(zhuǎn)時(shí)，槳葉的下洗氣流部分被機(jī)翼阻擋，造成槳葉排流的氣體渦與機(jī)翼表面氣體渦相互干擾，形成兩側(cè)不對(duì)稱的升力，極易造成飛機(jī)在空中發(fā)生滾轉(zhuǎn)，形成事故。所以“魚鷹”的飛行手冊(cè)中明確規(guī)定不允許飛行員做劇烈的多軸同時(shí)旋轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)。為了防止類似事故的發(fā)生，四發(fā)偏轉(zhuǎn)驗(yàn)證機(jī)在尾部保留了機(jī)尾的可動(dòng)功能。當(dāng)上述情況發(fā)生時(shí)，飛機(jī)產(chǎn)生不利滾轉(zhuǎn)，尾部發(fā)動(dòng)機(jī)向下偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生補(bǔ)償升力。同時(shí)主翼翼端的兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行錯(cuò)動(dòng)，一臺(tái)向上偏轉(zhuǎn)，另一臺(tái)向下偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生補(bǔ)償力矩，將飛機(jī)重新穩(wěn)定下來(lái)。這樣，四發(fā)偏轉(zhuǎn)方案可以在空中有較大裕度地進(jìn)行復(fù)雜機(jī)動(dòng)飛行?？善D(zhuǎn)的翼端發(fā)動(dòng)機(jī)還可以在飛機(jī)短距降落時(shí)向后偏轉(zhuǎn)。起到反推作用，縮短飛機(jī)的滑跑距離。

重型運(yùn)輸方案重型運(yùn)輸方案在原有通用機(jī)身模塊的基礎(chǔ)上加長(zhǎng)了機(jī)身，在機(jī)身前端增加了一對(duì)后掠上單翼，同時(shí)這后掠翼在主翼中段通過(guò)外置油箱與后段前掠上單翼相連，形成特殊的翼面布局。這種機(jī)翼設(shè)計(jì)主要出于兩方面考慮：首先，重型運(yùn)輸機(jī)如果要實(shí)現(xiàn)垂直起降，必須采用四發(fā)布局，那么前兩臺(tái)可偏轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)就必須安裝在另一對(duì)機(jī)翼上，其次，重型運(yùn)輸機(jī)在平飛狀態(tài)下需要機(jī)翼提供更大的升力，所以需要充足的機(jī)翼面積。機(jī)身前段的上單翼之所以采用后掠，主要是希望利用后掠機(jī)翼在飛行時(shí)翼面渦流外飄，可與后段前掠上單翼的翼尖渦流匯合，形成有利的渦流干擾，增大飛機(jī)的航程。重型運(yùn)輸方案的機(jī)身強(qiáng)度也有增加：首先，前后兩段接合的機(jī)翼形成了堅(jiān)固的框架，有利于飛機(jī)在垂直吊裝時(shí)承受巨大的重量；其次，機(jī)身中段加長(zhǎng)的機(jī)身內(nèi)部有加強(qiáng)梁，機(jī)身整體雖然變長(zhǎng)了，但結(jié)構(gòu)強(qiáng)度卻增加了；最后，四臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)共同提供升力的運(yùn)行模式使機(jī)身受力更為均勻，這也減少了機(jī)身上的危險(xiǎn)界面?zhèn)€數(shù)，分擔(dān)在原有結(jié)構(gòu)上的力分布更為合理了，相當(dāng)于增大了飛機(jī)的載重裕度。重型運(yùn)輸方案的前端發(fā)動(dòng)機(jī)槳葉前置，后端發(fā)動(dòng)機(jī)槳葉后置，目的是使兩個(gè)槳葉相距更遠(yuǎn)，互相影響更小，提高安全性。

尾部風(fēng)扇方案尾部風(fēng)扇方案是結(jié)合了雙發(fā)可偏轉(zhuǎn)旋翼飛機(jī)和涵道式垂直起降飛行器的產(chǎn)物。全機(jī)一共有三個(gè)垂直升力點(diǎn)，當(dāng)兩臺(tái)可偏轉(zhuǎn)槳葉發(fā)動(dòng)機(jī)處于豎直狀態(tài)時(shí)，飛機(jī)垂直上升。這樣的設(shè)計(jì)與v-22“魚鷹”是有區(qū)別的。“魚鷹”因?yàn)閷?duì)重心十分敏感，發(fā)動(dòng)機(jī)很嚴(yán)格的布置在重心區(qū)域。但如果在飛機(jī)尾部加了風(fēng)扇，就多出了一個(gè)升力提供點(diǎn)，飛機(jī)對(duì)重心的敏感度就能有所下降。當(dāng)飛機(jī)重心偏前時(shí)，尾部的風(fēng)扇就應(yīng)當(dāng)減小推力，讓后機(jī)身的重量把飛機(jī)穩(wěn)住。當(dāng)飛機(jī)重心偏后時(shí)，尾部的風(fēng)扇就應(yīng)當(dāng)增加推力，把機(jī)尾抬起來(lái)。這樣一來(lái)，飛機(jī)的穩(wěn)定裕度就能大大增加。當(dāng)然，尾部風(fēng)扇存在自旋效應(yīng)，所以必須在尾部布置兩片對(duì)轉(zhuǎn)風(fēng)扇，這樣自旋作用可以抵消。由于尾部發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣通道緊挨著風(fēng)扇，為防止廢氣被風(fēng)扇吸入，兩個(gè)排氣通道都布置在風(fēng)扇下方，這樣從發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢熱氣體就不會(huì)進(jìn)入對(duì)轉(zhuǎn)風(fēng)扇涵道了，保障了風(fēng)扇的安全。

責(zé)任編輯寒蘭