張翰

北京市海淀實(shí)驗(yàn)中學(xué)

關(guān)于飛機(jī)前掠翼的發(fā)展及分析

張翰

北京市海淀實(shí)驗(yàn)中學(xué)

在高新科技引領(lǐng)時代發(fā)展的今天，飛機(jī)制造領(lǐng)域的發(fā)展很大程度上就能代表國家的國際地位。在當(dāng)前情況下，后掠翼飛機(jī)是各個國家空軍裝備的主要飛行器。后掠翼飛機(jī)在高空高速有著比較好的機(jī)動性能，但是前掠翼可以使飛機(jī)的氣動性能大大提高，使得飛機(jī)在飛行時機(jī)動性能成倍地提高。由于技術(shù)和材料的制約，使得前掠翼飛機(jī)不能夠很好地推廣和應(yīng)用。前掠翼飛機(jī)的流行和推廣必然離不開材料技術(shù)的高速發(fā)展，更多性能更為優(yōu)異的材料將為前掠翼技術(shù)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

氣動彈性發(fā)散；前掠翼飛機(jī)；航空航天材料

引言

上個世紀(jì)的研究人員自從認(rèn)識到了前掠翼的一些缺點(diǎn)之后，并沒有找到合適的方法解決這些問題，導(dǎo)致前掠翼飛機(jī)沒能夠正常地繼續(xù)發(fā)展。前掠翼飛機(jī)研究的停滯不僅僅是這種翼型本身的缺點(diǎn)，更可能的是材料無法達(dá)到讓前掠翼飛機(jī)能夠正常飛行的要求。但是科技的進(jìn)步帶來了全新的材料，各式性能更好的材料讓前掠翼飛機(jī)的發(fā)展重獲新生，也意味著其作為一種重要的飛機(jī)翼型在各領(lǐng)域都將得到更為廣泛的應(yīng)用。

1 前掠翼的認(rèn)知與發(fā)展

前掠翼和后掠翼都是兩種相對的概念，是憑借飛機(jī)的翼型來進(jìn)行分類而得出的。后掠翼飛機(jī)的定義是，掠角為鈍角，也即飛機(jī)的前緣和后緣均向后掠，由此稱之為后掠翼飛機(jī)。飛機(jī)前掠翼技術(shù)最早發(fā)源于第二次世界大戰(zhàn)，當(dāng)時的德國人設(shè)計出了世界上第一款前掠翼飛機(jī)。但是前掠翼飛機(jī)由于其機(jī)翼結(jié)構(gòu)的原因，在氣動載荷的作用下，會導(dǎo)致其機(jī)翼迎角增大，進(jìn)而進(jìn)一步增加其所受的氣動載荷。上世紀(jì)70年代，復(fù)合材料的出現(xiàn)為前掠翼技術(shù)帶來了轉(zhuǎn)機(jī)，其結(jié)構(gòu)上的彎扭變形耦合效應(yīng)成功克服了前掠翼飛機(jī)的“氣動彈性發(fā)散”的問題，也讓前掠翼技術(shù)重新回到了航空界的視線之中。

1.1 前掠翼技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

（1）結(jié)構(gòu)方面：前掠翼的機(jī)翼結(jié)構(gòu)可以更好地連接機(jī)身與機(jī)翼部分，使得飛機(jī)所承受的壓力分配更加合理。

（2）機(jī)動方面，前掠翼飛機(jī)的機(jī)動性非常優(yōu)秀，尤其是在在亞音速飛行時，前掠翼飛機(jī)的氣動性能表現(xiàn)極為優(yōu)異。

（3）起降方面，前掠翼飛機(jī)和相同機(jī)翼面積的后掠翼飛機(jī)相比，升力更大，載重量更高，增加飛機(jī)操縱性能。

（4）控制方面，采用前掠翼結(jié)構(gòu)的飛機(jī)，操縱性能更強(qiáng)，飛機(jī)的空氣動力效能更加優(yōu)異，失速速度明顯下降，飛機(jī)的安全性能也因此得以大幅度提升。

2 前掠翼設(shè)想

2.1 前掠翼的結(jié)構(gòu)與材料

前掠翼的主要缺點(diǎn)就是氣動彈性發(fā)散的問題，也就是說翼尖會在飛行過程中發(fā)生劇烈地振顫。而又因?yàn)轱w機(jī)的重量不能夠過大。這就需要讓機(jī)翼能夠承受足夠大的力。

可以將機(jī)翼設(shè)計成由多個模塊組合而成的一個整體，并且這些模塊可以根據(jù)飛行狀態(tài)并利用機(jī)翼剛性分布計算機(jī)計算法進(jìn)行系統(tǒng)地組合，使得機(jī)翼各部分的剛度能夠剛好滿足飛行的條件，而不必使機(jī)翼過多地增加重量。

2.2 前掠翼的連接

因?yàn)榍奥右盹w機(jī)存在著氣動彈性發(fā)散，這就使得機(jī)翼在翼梢和翼根受到的力相差極大，而想要使得各部分都能承擔(dān)住那份力，機(jī)翼之間的連接結(jié)構(gòu)就必須做到穩(wěn)定，承受的變形力要強(qiáng)。為了將機(jī)翼的兩部分柔性的連接在一起，就需要一種類似于Z型啟動器的連接器。這種連接器瘦小，但是中間的長度可以自由伸縮，而兩端的長度較短，并且在兩端都裝有小軸承，這就能使得這個連接器能夠自由轉(zhuǎn)動。為了保證在飛行時的穩(wěn)定性，在飛行的時候則必須將這個連接器固定，需要在軸承外圈增加一條足夠插入一條固定軸承的鐵片的縫隙，所以軸承需要經(jīng)過特殊處理，并且能使連接器的杠收縮到足夠的尺寸。

2.3 前掠翼飛機(jī)的外形

另一種設(shè)想是將鴨翼設(shè)計成可變的即可變鴨翼，這種鴨翼可伸長并且可以旋轉(zhuǎn)。這樣可以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)在前掠翼和后掠翼形態(tài)直接隨意切換，鴨翼在展開時與前掠翼的機(jī)翼相銜接，使得其整體成為飛機(jī)的后掠翼飛機(jī)，而收回時則變成了前掠翼飛機(jī)的鴨翼。這種鴨翼也可用上述的連接器進(jìn)行連接，但只需要在隱藏在機(jī)體內(nèi)的部分安裝，這樣就能使連接器的杠能夠隱藏在機(jī)體內(nèi)部，否則將會影響飛行。為了能使鴨翼能自由伸縮，則必須在機(jī)體中留出一條縫。這時連接器的杠就能夠有用了，在鴨翼處于收縮狀態(tài)時，用杠來填補(bǔ)縫隙，使飛機(jī)形成了一個整體，沒有多余。

但是飛機(jī)存在是沒有足夠的空間安裝兩塊可變鴨翼，考慮通過兩塊鴨翼重疊放置來解決飛機(jī)空間不足的問題。這樣的話，就能做到將這兩個鴨翼做成不一樣性質(zhì)的。一邊的鴨翼就是做成只能夠進(jìn)行伸縮，而另外一邊，則需要做成上下兩片形成一個可以自動擴(kuò)張和收攏的套子。或者運(yùn)用多層疊加的方式將可變鴨翼設(shè)計成三段或更多段，這就需要對每層都進(jìn)行設(shè)計。與前掠翼銜接的那一段不必進(jìn)行特殊的設(shè)計，因?yàn)檫@一段的中間是空的，這只要能做到將在外的兩片向中間移動合成一片并能夠向前移動。而中間的那些層則需要形成上述可以自動擴(kuò)張和收攏的套子，重復(fù)第一段的操作就能夠使各層能夠很好的銜接。而對于最后一段則是固定不動的，只需要做到那個可以收攏和擴(kuò)張的套子，這樣就能是鴨翼能夠很好的運(yùn)行。

3 總結(jié)與展望

現(xiàn)在前掠翼的發(fā)展還處在低迷狀態(tài)，所有的設(shè)想也都只是在實(shí)驗(yàn)階段或者只是猜想階段。但是隨著時代的發(fā)展，技術(shù)的進(jìn)步，前掠翼飛機(jī)又慢慢地進(jìn)入了人們的視野之中。技術(shù)的日新月異，將會造就前掠翼的崛起，前掠翼作為機(jī)翼中的佼佼者，能夠帶領(lǐng)人們走入一個全新的飛機(jī)時代。前掠翼相對于后掠翼有著更好的穩(wěn)定性，能夠飛行的范圍更寬，能夠有更好的機(jī)動性能，或許前掠翼會成為飛機(jī)設(shè)計的重點(diǎn)，不再被忽視。

[1]揭昭斌,付錦斌,范志武,王永超.可變翼軍用無人機(jī)的研究和設(shè)計[J].企業(yè)導(dǎo)報,2013,(15):194-195.

[2]陳鵬,王旭,于沖,胡孟權(quán),黃萌.雙滑軌式機(jī)翼前掠機(jī)構(gòu)設(shè)計[J].航空學(xué)報,2012,(11):2010-2017.

[3]王紅偉.復(fù)合材料前掠機(jī)翼的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[D].南京航空航天大學(xué),2010.

[4]米康,王旭,劉文法.機(jī)翼掠角對前掠翼布局氣動性能影響的流動機(jī)理[J].飛行力學(xué),2009,(03):6-10.

[5]朱曉彪.無人機(jī)的新穎機(jī)翼——前掠翼[J].洪都科技,2003, (04):1-5.

[6]萬志強(qiáng).柔性復(fù)合材料前掠翼飛機(jī)靜氣動彈性分析[A].中國空氣動力學(xué)會空氣彈性專業(yè)委員會.第七屆全國空氣彈性學(xué)術(shù)交流會論文集[C].中國空氣動力學(xué)會空氣彈性專業(yè)委員會,2001:8.

[7]陳正舉.淺析俄羅斯戰(zhàn)斗機(jī)CY-37“金雕”前掠翼三翼面氣動布局的先進(jìn)性[J].沈陽航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報,1999,(02):62-69.

[8]胡防衛(wèi).俄羅斯前掠翼戰(zhàn)斗機(jī)有突破[J].現(xiàn)代軍事,1998,(09): 40-42.