來源：中國軍網(wǎng)-解放軍報(bào) 責(zé)任編輯：徐占虎 發(fā)布：2024-12-27 07:04:43
沖上云霄：戰(zhàn)機(jī)機(jī)翼演變史
■侯融 孟慶昌 楊笑晗
11月16日，在第十五屆中國航展上，殲-35A戰(zhàn)機(jī)進(jìn)行飛行展示。新華社 發(fā)
第十五屆中國航展上，我軍新亮相的殲-35A戰(zhàn)機(jī)低空通場，殲-20戰(zhàn)機(jī)表演高難度動(dòng)作。各種戰(zhàn)機(jī)呼嘯而過，展示著速度與力量。
其中，受邀參加此次航展的俄羅斯飛行員謝爾蓋·博格丹駕駛蘇-57戰(zhàn)機(jī)，展示了“落葉飄”“鐘擺機(jī)動(dòng)”等高難度飛行動(dòng)作，令人嘆為觀止。那么，戰(zhàn)機(jī)是如何做出這些戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作的呢？
這與戰(zhàn)機(jī)機(jī)翼的設(shè)計(jì)息息相關(guān)。人類追求翱翔藍(lán)天的夢(mèng)想始終未變，從萊特兄弟發(fā)明第一架飛機(jī)到現(xiàn)在，飛機(jī)機(jī)翼的設(shè)計(jì)不斷發(fā)展演化。其中尤以戰(zhàn)機(jī)機(jī)翼的變化更為多變復(fù)雜，僅機(jī)翼的形狀，就先后出現(xiàn)了平直翼、后掠翼、三角翼等。
梳理戰(zhàn)機(jī)機(jī)翼的發(fā)展史可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)翼的設(shè)計(jì)思路始終服務(wù)于飛機(jī)整體性能和作戰(zhàn)用途，與當(dāng)代飛行器技術(shù)發(fā)展水平息息相關(guān)。本期“軍工T型臺(tái)”，讓我們一起關(guān)注戰(zhàn)機(jī)機(jī)翼“更高”“更快”“更強(qiáng)”的發(fā)展之路。
更高——
提高升力實(shí)現(xiàn)飛天夢(mèng)想
作為托舉飛機(jī)翱翔藍(lán)天的關(guān)鍵部位之一，機(jī)翼的作用，最直接地體現(xiàn)在讓飛機(jī)有效地克服重力上。
1903年，萊特兄弟給滑翔機(jī)裝上發(fā)動(dòng)機(jī)，制造出世界上第一架飛機(jī)——“飛行者一號(hào)”。在萊特兄弟給飛行器加裝動(dòng)力之前，人類實(shí)現(xiàn)飛天夢(mèng)想的努力，一直在圍繞“翅膀”做文章。
達(dá)·芬奇就曾設(shè)計(jì)過一種撲翼機(jī)，他設(shè)想人趴在撲翼機(jī)上面，用手腳帶動(dòng)一對(duì)翅膀飛起來。古代的中國人、希臘人、巴比倫人和印度人也做過類似的嘗試。但受限于材料、工藝等，這類形似的模仿，并未從真正意義上讓人類實(shí)現(xiàn)飛天夢(mèng)想。
直到“空氣動(dòng)力學(xué)之父”喬治·凱利通過不斷研究和試驗(yàn)，首次將機(jī)翼剖面設(shè)計(jì)成“上凸下平”的不規(guī)則水滴狀，才把飛行從冒險(xiǎn)的嘗試引導(dǎo)向科學(xué)的探索，人類對(duì)機(jī)翼“升力”的探究有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，滑翔機(jī)的實(shí)用性大幅提高。
喬治·凱利的這種設(shè)計(jì)，讓機(jī)翼上下表面空氣流速產(chǎn)生顯著差異，當(dāng)飛機(jī)前進(jìn)時(shí)，機(jī)翼上方的空氣流速較快，形成低壓區(qū)；而機(jī)翼下方的空氣流速較慢，形成高壓區(qū)。這種壓力差，是飛行力學(xué)中機(jī)翼產(chǎn)生升力的關(guān)鍵所在。
由此開始，一直到現(xiàn)代飛機(jī)發(fā)明初期，機(jī)翼的設(shè)計(jì)都圍繞如何提高升力來展開。這些早期的翼型大多是平直翼，即機(jī)翼前后緣和機(jī)身垂直，機(jī)翼從里到外一樣寬。這種類型的機(jī)翼結(jié)構(gòu)簡單，容易制造。但受限于材料和工藝技術(shù)，使用平直翼的早期飛機(jī)，安全性和穩(wěn)定性并不能得到很好的保證。
為了加強(qiáng)穩(wěn)定性，早期飛機(jī)機(jī)翼布局曾向雙翼、三翼拓展，但多翼設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)非常明顯，比如結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造難度大，飛行阻力大、速度難提高等。直到出現(xiàn)鋁合金航空材料，單翼機(jī)安全性和穩(wěn)定性才有所改善，開始逐漸取代了多翼機(jī)，但平直翼的主流地位始終沒有改變。
變化，率先在戰(zhàn)斗機(jī)領(lǐng)域發(fā)生。隨著動(dòng)力系統(tǒng)不斷迭代，空戰(zhàn)對(duì)戰(zhàn)機(jī)飛行速度的要求不斷提高，平直翼的缺點(diǎn)越來越突顯：雖然提供的升力很大，但同時(shí)也帶來了非常大的阻力，飛行速度受到嚴(yán)重限制，亟需新的翼型設(shè)計(jì)來推動(dòng)戰(zhàn)機(jī)的發(fā)展。
更快——
與激波角力，突破音障直至數(shù)倍于聲速
空氣動(dòng)力學(xué)研究表明，飛機(jī)在飛行時(shí)，會(huì)對(duì)前方的空氣產(chǎn)生壓力。低于聲速飛行時(shí)，前方空氣在壓力波的推動(dòng)下，會(huì)有序流向兩側(cè)，讓開飛機(jī)。然而當(dāng)飛機(jī)越來越接近聲速的時(shí)候，這些壓力波就會(huì)擠到一起，讓機(jī)翼表面的局部氣流超過聲速，出現(xiàn)激波。此時(shí)，飛機(jī)被激波干擾，飛行阻力劇增，速度難以提升。人們?cè)詾槁曀偈秋w機(jī)速度不可逾越的障礙，將這種現(xiàn)象取名為音障。
想要突破音障，飛機(jī)氣動(dòng)外形是繞不過去的坎，許多科學(xué)家把解決方案“壓寶”在機(jī)翼的優(yōu)化上。正是由此帶來的各種想法不斷碰撞，讓現(xiàn)代飛機(jī)開始蛻去平直翼的雛形，迎來了一個(gè)奇思妙想迭出、接續(xù)挑戰(zhàn)音障的快速發(fā)展時(shí)代。
較早做出改變的是德國空氣動(dòng)力學(xué)家阿道夫·布茲曼，他提出的后掠翼設(shè)計(jì)，可以把垂直于飛機(jī)飛行方向的氣流分解變小，推遲激波阻力的產(chǎn)生。這項(xiàng)成果率先應(yīng)用于德國ME-262戰(zhàn)機(jī)，戰(zhàn)機(jī)性能得到顯著提高。
有的科學(xué)家選擇了梯形翼設(shè)計(jì)，這種翼型結(jié)合了平直翼和后掠翼的優(yōu)點(diǎn)，以適用于不同的飛行需求。梯形翼具有較好的升力特性，在低速飛行時(shí)，能夠提供足夠的升力，改善飛機(jī)的起降性能。在超聲速飛行時(shí)，梯形翼短粗的機(jī)翼形狀，有效減少了激波阻力。其典型代表是蘇聯(lián)的米格-21戰(zhàn)機(jī)，該型飛機(jī)具有較高的操縱性和機(jī)動(dòng)性。在越南戰(zhàn)爭期間，米格-21與美國F-4“鬼怪”戰(zhàn)機(jī)多次交鋒，其利用優(yōu)秀的機(jī)動(dòng)性，采用快速接近、近距離格斗的戰(zhàn)術(shù)，取得了不錯(cuò)的戰(zhàn)果。但由于梯形翼上的氣動(dòng)分布不均勻，翼根處承受的彎矩較大，所以需要更強(qiáng)的結(jié)構(gòu)來支撐，降低了燃油效率。
美國科學(xué)家則試圖通過三角翼來克服后掠翼升力不足的問題。他們?cè)O(shè)計(jì)的三角翼戰(zhàn)機(jī)F-102，在大迎角飛行時(shí)能保持較好的升力系數(shù)，還可以把戰(zhàn)斗機(jī)的所有部位收進(jìn)機(jī)頭產(chǎn)生的激波之內(nèi)，從而有效克服音障。這一翼型同時(shí)兼顧了一定的亞聲速機(jī)動(dòng)性，有較好的操縱性，能夠應(yīng)對(duì)復(fù)雜的空戰(zhàn)環(huán)境。例如，蘇-15戰(zhàn)機(jī)能在空戰(zhàn)中靈活地做出滾轉(zhuǎn)、爬升、俯沖等各種機(jī)動(dòng)動(dòng)作。但三角翼的缺點(diǎn)也比較明顯，起飛和降落時(shí)的低速性能較差，在起飛或降落時(shí)，飛機(jī)需要較高的速度，才能獲得足夠升力。這導(dǎo)致其飛行時(shí)需要較長的跑道，對(duì)飛行員的技術(shù)要求比較高。
還有一種創(chuàng)新的機(jī)翼布局形式是前掠翼。該設(shè)計(jì)于1942年被提出，旨在改善戰(zhàn)機(jī)跨聲速和超聲速飛行時(shí)的機(jī)動(dòng)性能，尤其是大迎角飛行時(shí)的穩(wěn)定性和操控性。相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)翼布局，前掠翼可以更有效地利用材料，減輕結(jié)構(gòu)重量，合理分配機(jī)翼和前起落架所承受的壓力，提高戰(zhàn)機(jī)的載彈量。20世紀(jì)90年代末開始試飛的蘇-47戰(zhàn)機(jī)，就是一架典型的前掠翼戰(zhàn)機(jī)。它配合先進(jìn)的飛控系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)，展現(xiàn)了出色的低空高速機(jī)動(dòng)性。但前掠翼高速飛行時(shí)，機(jī)翼的彎曲變形會(huì)使外翼迎角增大，造成機(jī)翼彎曲變形加劇，以至于機(jī)翼會(huì)因?yàn)榕まD(zhuǎn)剛度不夠而折斷，對(duì)材料以及加工工藝提出更高的要求。
歷經(jīng)百余年發(fā)展，如今很多戰(zhàn)斗機(jī)的速度早已突破了音障甚至數(shù)倍于聲速，飛機(jī)形狀及其機(jī)翼的演進(jìn)變化，在這其中扮演著重要的角色、發(fā)揮著重要的作用。
更強(qiáng)——
注重綜合性能優(yōu)化，讓機(jī)翼功能更加復(fù)合
平直翼和后掠翼的優(yōu)勢不同，為什么不設(shè)計(jì)一個(gè)可以隨時(shí)變換的機(jī)翼呢？
隨著這種設(shè)想的出現(xiàn)，20世紀(jì)60年代，美國研制出第一種實(shí)用變后掠翼戰(zhàn)機(jī)F-111A超聲速戰(zhàn)斗轟炸機(jī)。變后掠翼的設(shè)計(jì)可以兼顧高、低速性能：在起飛、著陸和低速飛行時(shí)，減小后掠角，使機(jī)翼前緣升力增加，提高飛機(jī)的升力系數(shù)，縮短“起—落—滑—跑”的距離；在高亞聲速和超聲速飛行時(shí)，增大后掠角，減小飛行阻力，提升飛機(jī)的加速性能。這樣一來，就能有效解決飛機(jī)高、低速矛盾，使飛機(jī)在較寬的速度范圍內(nèi)保持良好的氣動(dòng)性能，適應(yīng)不同的飛行任務(wù)。
變后掠翼也存在一些缺點(diǎn)，其機(jī)翼轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，增加了機(jī)身重量，且活動(dòng)外翼的載荷集中在樞軸上，對(duì)樞軸的強(qiáng)度和可靠性要求高，還需要一套強(qiáng)有力的驅(qū)動(dòng)裝置和協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)，導(dǎo)致維護(hù)難度大、成本高，故障率增加，維修成本變高。
但不可否認(rèn)的是，這種融匯多種功能優(yōu)勢的復(fù)雜翼型設(shè)計(jì)，代表著當(dāng)前機(jī)翼發(fā)展的主流方向。世界各國目前服役的主要戰(zhàn)機(jī)，也多采用類似的多結(jié)構(gòu)復(fù)雜機(jī)翼。
美國“猛禽”F-22戰(zhàn)機(jī)，機(jī)翼為大后掠角梯形翼，飛機(jī)在超聲速飛行時(shí)阻力小，激波強(qiáng)度弱，能實(shí)現(xiàn)1.8馬赫左右的超聲速巡航。其雙垂尾布局提高了飛機(jī)的縱向穩(wěn)定性和操縱性，減小雷達(dá)反射截面積，提高了隱身性能。
我國“威龍”殲-20戰(zhàn)機(jī)采用單座雙發(fā)、鴨式布局，機(jī)翼為大后掠角三角翼帶小前翼，即鴨翼。鴨翼布局使飛機(jī)在大迎角狀態(tài)下，鴨翼和主翼能同時(shí)產(chǎn)生渦升力，提高飛機(jī)的升力系數(shù)和機(jī)動(dòng)性，在近距空戰(zhàn)中具有較大優(yōu)勢。
俄羅斯蘇-57戰(zhàn)機(jī)采用單座雙發(fā)、中央升力體加大三角翼布局，增加可動(dòng)邊條翼。大三角翼在超聲速飛行時(shí)具有較小的阻力和較好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，可動(dòng)邊條翼在大迎角狀態(tài)下能產(chǎn)生渦升力，提高飛機(jī)的機(jī)動(dòng)升阻比，增強(qiáng)飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性。
這些戰(zhàn)機(jī)的機(jī)翼外形，有著各不相同的設(shè)計(jì)思路，但其提升機(jī)動(dòng)能力、隱身能力等作戰(zhàn)性能的“總目標(biāo)”沒有改變。
在可預(yù)見的將來，隨著航空技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)的機(jī)翼設(shè)計(jì)必然更加注重綜合性能的優(yōu)化：既可以采用更加復(fù)雜的翼型設(shè)計(jì)來優(yōu)化飛行性能，也可以采用翼身融合技術(shù)來減小阻力、提升隱身性能，還能使用先進(jìn)的復(fù)合材料來減輕機(jī)翼重量、提高機(jī)翼強(qiáng)度……這些技術(shù)的應(yīng)用，都會(huì)牽引現(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)的機(jī)翼設(shè)計(jì)，朝著更加靈活機(jī)動(dòng)、增加隱身性能、提高武器掛載能力等方向縱深發(fā)展。
