四代机基本知识2 之 翱翔之翼

1、四代机基本知识 之 翱翔之翼 “For a plane to fly well, it must be beautiful.” 一架飞的好的飞机，必定是架漂亮的飞机。这话还真给说对了，从最初莱特兄弟的骨架式飞机，到第一架实用的喷气式战机Me262，再到今天闪着无数高科技第四代的F22，这飞机真是越来越耐看了。得益于人们对空气性质的不断深入了解，人们设计的飞机越来越符合空气动力的要求。自然飞机的性能是越来越好。飞机该有什么样的翅膀，什么样的外形，这跟它作什么样的功用密切相关。最初人们是通过观察鸟类的翅膀来一点一点进行摸索的。毕竟在没有任何可用的经验面前，模仿鸟类是最保险的。鸟儿在大自然里生活了千

2、百万年能适应下来，必然有他的道理。早期的时候人们走了歪路，朝扑翼机的方向发展，把翅膀拍上拍下的，他们也不想想他们那时候是什么破材料科技。直到后来搞固定翼飞机，才算进了门道。点击查看大图：古代人天天看星星，于是成了天文学家。天天看河流，于是成了水利学家。天天看石头，成了地质学家。近代人天天看鸟儿，于是鸟人出现了。囧（这段话怎么这么耳熟呢？）说起鸟人，其实做个鸟人还真一直是很多人的梦想，不过现代的鸟人不再傻呵呵的煽翅膀了，换上了固定翼，再加上几个发动机，于是。终于。点击查看大图：点击查看大图： 现代鸟人，此公名叫罗西，是前瑞士战斗机飞行员。他于08年5月穿着这套鸟人装成功飞越阿尔卑斯山。 对飞机机

3、翼而言，翼型的选择对飞机的气动性能有直接的影响，这里有几个基本知识可以作为参考。 点击查看大图：这里面，大家只要知道下展弦比。展弦比大的，机翼一般都是又细又长，这种机翼的升力很大，低空低速性能很好，但缺点是阻力大。而展弦比小的，一般机翼很短，比如三角翼，展弦比小的高速性能好，一般的战斗机都采用小展弦比机翼。点击查看大图：滑翔机的机翼就是典型的大展弦比机翼，它又细又长，这样就能获得最大的升力，反正滑翔机追求的不是速度，大展弦比的低速性能很好，借助气流，可以飞很远。点击查看大图：信天翁是鸟类中翅膀最长的，体型大的翅膀展开可以达到米长，这种大展弦比的翅膀赋予它极佳的滑翔能力，是鸟类中绝对的滑翔冠军。

4、它一年中，除了交配外，其余时间都在天空渡过，包括吃喝拉撒睡，它能像海豚一样左右脑交替休息，这样就能一边飞翔一边睡觉。大家想象一下，一边吃东西，一边消化，一边睡觉还一边拉屎，而且还不停的在天上飞，这是一种什么样的人生境界啊！而对于高速飞行的飞机，波阻占很大*例，要想使波阻系数降低，就应该减小展弦比。总的来说，对于亚音速的飞机，应该采用大展弦比的机翼，而超音速飞机则应该采用小展弦比。还有一个是根稍比，就是机翼的翼根与翼尖之比。对亚音速飞机而言，还要考虑诱导阻力的影响。根稍比越大，诱导阻力的影响越大，根稍比越小，诱导阻力的影响越小。那么什么是诱导阻力呢？由于机翼的升力原理是通过机翼使下表面的气流压力

5、大，上表面的压力小，通过这压力差，来产生升力。但到了机翼翼尖两端，上下两股气流的交汇处，由于下面的高压气流会绕过机翼的翼尖，朝上翼面的低压区流去。因此在翼尖会产生漩涡，由于它改变流经翼尖附近气流的方向，增加了附加的阻力，而且还降低了升力。因为它是由升力诱导出来的，所以叫诱导阻力。点击查看大图：从第二图中可以看出，在机翼的翼尖，下面的高压气流会流向上面，形成涡流。 点击查看大图：怎么样，这张图显示的够清楚了吧，在飞机的翼尖，形成了强烈的涡流。由于这股涡流改变了气流的正常流向，会形成额外的阻力。不过也可以很清楚的看到，对翼尖涡流而言，内侧的气流向下，而外侧的气流向上，是股免费的升力流，这么好的事情

6、，大自然里的动物是绝不会白白浪费的。 点击查看大图：大雁南飞图 天气凉了，树叶黄了，一片片叶子从树上落下来，天空那么高那么蓝，一群大雁往南飞，一会儿排成个人字，一会儿排成个一字，啊！秋天到了。怎么样，大家回忆起小学一年级的那篇课文没？大雁为什么要排成人字形或一字形呢？上面那张飞机涡流图给出了很清晰的答案。领头大雁翅膀的翼尖拉出涡流，由于涡流的外侧是股向上的升力气流。这样队伍后面的小雁就可以免费享受到那股上升气流，小雁只需花很少的力气就能进行长途飞行。当然，队伍后面的爽了，领头的大哥就得劳神了。点击查看大图：由于诱导阻力对升力也有破坏，很多飞机在翼尖安装了这个翼尖小翼，来阻碍上下表面气流的扰流。

7、这样就能减小诱导阻力，还能增加升力，经济性也有提高。翼尖小翼的安装有很多种，有向上翘的，有向下翻的，也有上下都翻的。这就看个人的口味了。点击查看大图：除了飞机外，F1也在它的扰流板尖端安装类似的大翼面，这样一方面能增加纵向稳定性，一方面能减少诱导阻力。这是法拉利车队2009的最新战车F60。后面站的自然是马萨和莱科宁。对机翼的升力而言，仅凭高中知识所知道的机翼上下压力差形成升力还不足以解释全面。一般的机翼，前面厚后面薄，由于空气是有黏性的，机翼上表面的气流会沿着表面的形状从厚的地方向薄的地方移动，是种自上而下的移动。既然这股气流是向下吹的，那么根据顿第三定律，力的平衡，F1F2。气流往下吹，自

8、然有股抬升的力量作用于机翼上。这股向下吹的气流叫作下洗气流。而机翼抬升的角度越大，或者说攻角越大，下洗的作用越明显，升力也就越大。点击查看大图：气流沿着机翼表面的方向进行向下的移动，这股气流称之为下洗气流。机翼的攻角越大，下洗的效果越明显，升力自然就越大。所以我们看到飞机起飞时，都要抬起头，这样就能增大机翼的攻角，增加下洗，也就增大了升力，飞机就从跑道上腾飞起来。点击查看大图：点击查看大图： 机翼的下洗气流，加上翼尖的涡流。使飞机穿过云层后留下了一个浪漫的爱心符号。好玩么，我再来一张。哈哈 点击查看大图：米格29拉出了一个搞笑的笑脸。后掠角 增大机翼的后掠角，可以提高临界马赫数，延缓激波的产生

9、。飞机在稀薄空气中飞行与在浓密空气中飞行相比，明显在稀薄空气飞行的阻力小，浓厚空气的飞行阻力大。而在同水平的空气中高速飞行时，由于空气是可压缩的，飞机高速飞行时，机翼前缘的空气被压缩，密度增大，相当于增加了前面空气的阻力。另一方面，如果机翼前面的空气被同步压缩，那么阻力增加速度明显增大，但如果分批的被压缩，那么阻力增大的速率就会降低，延缓激波的产生。所以高速飞行的飞机都采用后掠角，使空气不至于被同步压缩。点击查看大图：在亚音速时，前面的压力波会以音速跑到飞机的前面，扰动集中不起来。当飞机刚好达到音速的时候，所有的压力波刚好集中在一块，阻力突然增大。当飞机超过音速时，声波扰动来不及传到飞机前面去

10、，前面的空气直接受到飞机的突然压缩，形成很明显的锥形。经过激波，气体的压强，密度，温度突然升高，而流速突然下降。压强突然的跃升会有强烈的爆响。所以超音速时能听到刺耳的音爆声。点击查看大图：超音速时候，由于锥后的气压突然降低，如果空气湿度够的话，就能汽化，能看到很明显的锥点击查看大图：这是美国海军蓝天使表演队的F18在近海面突破音速，可以看到激波形成的冲击波打到海面上，带有明显的破坏性。点击查看大图：这张就看的更近了在超音速时，如果机翼延伸到激波锥外，则不仅气动阻力大，冲击波还对机翼有破坏性。而后掠角机翼，则刚好“躲”在锥后的低压区，对降低气动阻力有利。 后掠角机翼一般采用三角翼，小展弦比的三角

11、翼虽然高速性能好，但低速性能差，起降的时候不得不把机头高高的抬起，以增加升力，起降速度还非常快。所以对跑道的要求很高，跑道还很长。点击查看大图：采用无尾三角翼的协和式，虽然能以2倍音速巡航，但低速性能差，起降的时候不仅仰角比一般的亚音速飞机大，前起落架也明显高于后面，使得它即使在地面仍然保持抬头。这样起飞时能保持一个迎角，增加升力。帮助它顺利起飞。点击查看大图：看看毛子的图144，一对难兄难弟，图144的机头抬的更高，这样起飞时能获得更大的仰角。不过图144还有个秘密武器，驾驶舱后面有对可伸缩的鸭翼，帮助它低速时顺利起降。即使这样，他还是要靠这个抬头来辅助起飞。点击查看大图：图144打开鸭翼的

12、时候。机翼边条在讲机翼边条前，我常长真臻得先讲一下失速，因为边条的作用很大程度上就是为了改善飞机大仰角性能的，能极大的推迟失速。因为飞机做纵向机动时，飞机靠仰头，再往上飞。而作水平机动时，飞机会先侧身，然后做仰头动作，这样完成水平机动。因此飞机的仰角性能非常的重要。 失速飞机从水平状态作大仰角机动时，会有个先抬头的动作，但这时候不会马上朝上飞，由于惯性，飞机抬起头，露出大肚皮朝前飞一小会儿时间，然后再朝上飞。但这个肚皮朝前飞的一小会儿时间，却是最关键的时间。搞的不好就会失速，那么我们先来看两个例子。让大家认识下什么是失速及失速的后果。第一例 鹰狮大闹蟠桃园点击查看大图：点击查看大图： 1993

13、年8月8号，一架瑞典的JAS39鹰狮为斯德哥尔摩当地的庆祝节日做表演，飞机正飞的high，准备做大仰角机动给居民们表演，好让那些土包子们开开眼界，瞧瞧咱们本国刚刚服役才2个月的新式战斗机。点击查看大图：飞机的仰角继续增大，这时候飞行员突然发觉不对，抬过头了，怎么飞机有了垂直的姿势，却没有垂直的动作呢？点击查看大图：这时候飞行员意识到飞机失速，很识趣的知道自己改不出来了。毕竟飞机是国家的，小命是自己的，内心怀着强烈的人权大于主权的信念，毫不犹豫的跳伞了。点击查看大图：飞行员跳伞后，这个“活死人”直接往下掉。这图里都可以看到后面的教堂了。地面不明真相的群众们目瞪口呆。咱们土包子确实没见过这等场面。

14、点击查看大图：轰的一声，掉进了附近的花园里，狼烟四起，群众们大呼过瘾。今天这节日过的真热闹。第二例 魔王火烧白云城点击查看大图： 1994年6月24日，美国费尔柴德空军基地（Fairchild air base），主驾驶员霍兰德驾驶着一架B52作低空表演。点击查看大图：飞机飞到跑道尽头后，这位大侠驾机作了一个空中大回环，一切良好。击查看大图：大回环后，他继续大回环动作，镜头里已经能很明显的看到整个机背了。整架飞机侧面已经接近于垂直了。这位老兄，直接把轰炸机当成战斗机来开了。点击查看大图：回环回环再回环，这大爷连续做完几个高难度体操后，就开始做最后的动作了。所谓一套体操做完了，自然要做落地结束动

15、作了点击查看大图：这时候飞机已经直接掉高度了，一头栽下去。他确实是在做落地动作，他也确实做到了。看看周围谁在给他们喝彩，飞机镜头右边是被飞机机翼切断的高压电线，闪着电光（红圈处），左边是一个油库，前面是高强度水泥，他不是一个人在战斗，他不是一个人在战斗！点击查看大图：轰的一声，好大的一个红色棉花糖。场面真是壮观啊。点击查看大图：让我们看看从别的镜头处拍摄到的画面吧，这可绝不是PS的，货真价实的镜头哦。整架B52直接侧面垂直与地面成90度。怎么样，这图够刺激了吧？你霍大爷的，见过开飞机的没见过这么开飞机的，而且还是轰炸机。点击查看大图：从这张google图上，标识了飞机的飞行路线，真是一个超级大

16、回环啊。这两个例子，一个是从正面大角度，一个是侧面大角度，分别演示了失速的后果。那么本来飞的好好的，怎么突然就这样子了呢？让我们从风洞演示里看看究竟吧。点击查看大图：这是机翼小仰角时的风洞演示图，可以看到，一切良好。上表面气流密集，流速快，气压低，气流沿着机翼还有个下洗的过程，带来额外的升力。点击查看大图：机翼的仰角增大，这时候，下洗气流的角度也越往下，机翼的升力增大。事实上，机翼升力的产生主要靠上表面吸力的作用，而不是靠下表面正压力的作用，一般机翼上表面形成的吸力占总升力的60-80%左右，下表面的正压形成的升力只占总升力的20-40%左右。也就是说机翼的上表面比下表面更加重要！飞机更多的是

17、被吸上天的，而不是被托上天的！点击查看大图：机翼仰角更大了，这时候看到什么不同了么？由于仰角太大，机翼后面的气流没有汇合在一起。后面形成了一个巨大的“真空”。这个“真空”可真要命，想想看，机翼前面有正常压力的气流吹打着机翼，机翼后面是“真空”，根据伯努力原理，机翼往哪儿飞？当然是往后面飞啦！更加郁闷的是，你飞的越快，后面的“真空区”越大，带来的吸力也越大。怎么样，往后飞，现在明白了吧。前面说过，飞机大仰角机动时，由于惯性，会有个肚子迎面朝前，继续平飞的姿势。这时候，飞机整个肚子把气流挡住了，后面的机背就流不到空气，形成了一个“真空”，从后面像真空吸尘器一样把飞机狠狠的“吸住”不让他继续前飞。所

18、以飞机会突然掉速度，这就是所谓的失速。飞机失速了，而且还直挺挺的立在那，那是什么？就是个突然停在半空中的砖头，结果当然是砖头往下掉啦。然后，出人命啦。前面两个飞机失事的例子，就是飞机进入失速后，没有及时改出来的后果。其实在高空还能有机会改出来，在低空就根本没这机会了。点击查看大图： 我们在日常生活中，也有类似的情况。迎面高速驶来一辆集装箱卡车，当卡车*股开过后，你在旁边会感到一股强烈的风。这股风其实是涡流，因为卡车*股后面太平整了，高速驶过后会在后面有个很大的“真空区”。为了填补这个“真空区”，周围的气流以涡流的形式迅速进入，所以给你的感觉就是有股巨大的风，而且是要把你吹向马路中间的风。 由于

19、后面这个“真空区”给汽车带来巨大的阻力，要想消除这个真空区，当然是把方方正正的*股改成流线型啦。所以现在的汽车，不仅头部流线型，*股也越来越流线型了。不过最近几年，聪明的汽车设计师们反而开始利用这个效应起来，用来加强跑车的刹车效果。在汽车尾部放置一块可活动的扰流板，平时横放起来跟汽车尾部融合为一体，需要紧急刹车时，再把扰流板翻起来，增强刹车效果。点击查看大图：这辆McLaren SLR在吹风洞，它不仅前面流畅，后面也尽量成流线型。但汽车还要有足够的抓地力，不然的话车就漂了，所以要综合考虑。这张图还看不到后面的扰流板。同时这图也显示出，汽车前面的气流很平顺，而到了最后面就开始乱了。就是因为在*股

20、后面产生了一股股的涡流。点击查看大图：这张图就显示的很清晰了，这样它在刹车时候，这扰流板翻开，增加刹车效果。点击查看大图：再来一个更狠的，布加迪威龙，16气缸，1001匹马力，从0加速到100只需秒。全车明显的非常光滑，以最大的减小空气摩擦阻力。看到它后面的扰流板了么，这个不仅比SLR来的更大，结构也更复杂。低速时可以完全缩回去，跟汽车尾部融为一体，高速的时候升起来，用来增加尾部的下压力，需要刹车时，整个向上翻，人为的增大空气阻力来更快的减速。点击查看大图：这张图片里，布加迪后面的扰流板已经完全打开，这样就能更好的减速。 讲完了失速，现在正式开讲机翼边线条。大后掠角机翼前缘在仰角不大时就能产生

21、自前缘卷起的脱体涡，从而产生非线性的涡升力。这句话怎么理解呢？我在刚开始时介绍过，由于机翼翼尖上下表面的压力不平衡，下面的高压气流会卷起来朝上面流去，并形成涡流。还记得前面那张飞机翼尖拉出红色巨大涡流的图么？还记得上面集装箱卡车吹风图么？他们有一个共同点是什么？就是存在压力差，由于有压力差，高压部分的气流会以漩涡的形式自然的流向低压气流区。也就是说有涡流的先决条件就是要有压力差，管你是前面，翼尖，背后还是*股，只要有压力差，并能自由流动，那么就会有涡流，就自会有涡流会去填补那个低压区。尤其在物体的边缘处表现的最为强烈，涡流也最明显。那么边条拉出的涡流为什么能改善飞机的仰角性能呢？答案当然得从生

22、活中去寻找。从日常生活中寻找出的答案，就能更好的帮助理解涡流的作用。 点击查看大图：挥杆用力击打高尔夫球，奇怪的是几乎所有的球类都尽可能的要求表面光滑平整，为什么这个高尔夫球表面偏偏要整的坑坑洼洼。弄出这么一个怪胎来呢？ 其实最早的高尔夫球也是表面光滑的，但人们经常用力挥杆击打球，这小球哪经得起铁棍的猛烈击打呢？所以打着打着，打到后来这球就被打的破破烂烂，表面坑坑洼洼。奇怪的是，人们发现，这表面破烂的旧球，要比光滑的新球飞的更远。而且差距非常大，有时候用同样的力气打球，旧球飞出的距离要比新球远一倍！后来大家都喜欢带自己的旧球去参加各类比赛。但旧球是不可能每个都一样的，所以飞出去的距离有时候相差

23、很大，给比赛带来极大的不公平，而大家都喜欢用旧球，不喜欢用新球。所以最后高尔夫球的规则就改变了，统一在球表面开许多小洞，使表面坑坑洼洼，这样球既飞的远，比赛也公平，皆大欢喜。为什么高尔夫球在表面开这些小坑后球能飞的更远？关键当然在这些小坑上，球在高速飞行中，由于有这些小坑，表面不完整，产生一个个细小的扰流，这些扰流呈涡流的形式快速流到球的背后，刚好给后面的“真空区”补充了大量的气流，这样后面的“真空区”就明显小的多，带来的吸力也就小的多。很显然，表面坑坑洼洼的球和光滑的球比起来，前者能产生更多的涡流。点击查看大图：点击查看大图： 高尔夫球表面的小坑带来的涡流，紧紧贴着高尔夫球的表面流向后方，明

24、显使后面的尾流区域大大减小，这样球就能飞的更快更远。所以我们把这几个思路整理起来；1. 飞机失速是因为后面有个巨大的“真空区”。2. 而涡流却能紧贴表面流向后方去填补这个“真空”，使后面的“真空”大大减小。3. 机翼翼尖最容易产生涡流。 飞机仰头时，主翼面面积最大，最容易产生“真空区”。如果我们在飞机主翼前方再添上一条容易产生涡流的翼尖，那么飞机的大仰角性能就能大大的改善。事实上就是这样，这个额外的翼尖，就称之为边条。如果我们再把这翼尖跟主翼连在一起，那真是very very very good。这就叫翼身融合体。机翼后掠角太大，其低速性能就较差。基于大后掠角细长机翼会产生脱体涡升力和小后掠机

25、翼低速升力大的两方面考虑。中等后掠翼前面加大后掠细长边条的设计布局就出现了。第三代战斗机很多都带有边条的设计，这其中的典型代表就是大黄蜂。点击查看大图：大黄蜂的机翼明显可以分为两部分，前面大后掠的边条翼跟后面小后掠的主翼。前面的边条翼使大黄蜂在作仰角机动时能拉出涡流，迅速的填充到机背后面，改善飞机的飞行性能。这是最新型的F/A-18G咆哮者电子大黄蜂。在上次演习中因中距离干掉了一架F22而一炮走红。令大家对它刮目相看。 点击查看大图：F16拉出了明显的涡流。在它主翼前方也可以看到边条，而且和翼身融合在一起。事实上，涡流还有一个作用。由于飞机会同时拉出两股涡流，这样在涡流后面，内侧的涡流是股下沉

26、气流，刚好用来填补机背的“真空区”，专业术语叫给机背补充能量。而外侧的两股气流是上升流，大雁南飞图里，队伍后面的小雁就是借这上升流使自己也能进行长途飞行。对飞机而言，外侧的上升流刚好打到机翼上，给飞机增加了额外的升力。采用翼身融合，边条翼跟机身和主翼融合在一起，不仅能增加飞机的仰角性能，还能增加飞机的隐身性能，所以老美的四代机都毫不犹豫的用上了边条。点击查看大图：F22在作大仰角机动。F22的机身边线，可以很明显的分成三段，机头，进气口侧，和翼尖。尤其是机头和进气口侧的边条，在使劲的拉出涡流来填补到机背。飞机背后的“白烟”其实是背后的低压区空气液化形成的，在空气湿度高的时候，能看的很明显。 涡

27、流产生的原因是有压力差，压力差越大，涡流越强悍，压力差越多，产生的涡流也就越多。这就好比同一辆卡车，高速行驶时后面产生的涡流要比低速行驶时来的强。而在相同速度下，一辆集装箱卡车后面的涡流要明显*一辆小汽车的来的多。对飞机而言，压力差的强度是跟速度呈正比的，但多少却跟飞机的布局是紧密相关的。要想使飞机拉出的涡流最大化，边条就应该最大化，甚至整个的从头连贯到尾。所以F22的边条很明显的从机头连贯到机尾，这样的好处不仅大大改善了飞机的性能，而且也大大的利于隐身。既然边条的效果这么好，对我们的四代机而言，当然是毫不客气的也把边条从头连贯到尾。点击查看大图：F22在小仰角时，仅仅在主翼两侧有两股小的低气

28、压区，机背部分都已经被涡流填补的差不多，已经处于正常气压状态下。飞机就不需花额外的能量去跟“真空区”作斗争，这样飞机能有更多的剩余能量去进行机动飞行。垂尾 垂尾是保证飞机的侧向稳定性和操纵性的。对单垂尾而言，由于远离飞机的重心，设计时应该尽量的轻量化。单垂尾虽然简单，但硕大无比，受力也复杂。高大的垂尾，它的受力焦点也高高在上，飞行时有个下沉动作，需要水平尾翼进行配平，增加配平阻力，因此后来出现在机腹下安置腹鳍来分散压力。但腹鳍太小了，起不了作用，太大了，影响飞机的起飞。有些飞机索性在下面安装了一个可折叠的腹鳍。起降时折叠起来，不让它刮到地上，飞起来后，再打开，我们的歼8II就有这个可折叠腹鳍。点击查看大图：J8II的腹鳍在飞行时打开，起飞和降落的时候折叠起来避免刮到地面。 有一片的，也有两片的，双片腹鳍的话还有个作用，就是飞机仰头时用来兜住气流，给机尾一个额外的力，不让飞机仰头过于敏感。前面的鹰狮大闹蟠桃园里，除了飞机自己的飞控软件有问题外，就是因为仰头太猛，使飞机一下子进入失速。点击查看大图：这架委内瑞拉的苏30MK2。从后面看能看到尾部下方的两片腹鳍。而且对重型战斗机来说，用双垂尾更好，双垂尾不会让每个垂尾受力过于猛烈。对腹鳍来说，增加了空气摩擦阻力，而且也不利于隐身，所以四代机都不再用腹鳍了。但是，但是，不管是单垂尾还是双垂尾，都存在一个严重的问题。就是大仰角时候