飞机结构漫谈(九)

旅游        2020-03-26   来源:小斌说三农

F-86,米格-15——第一代战斗机的典型代表

早期的飞机一般都采用平直翼,但随着飞行速度的提高,飞机会在高速俯冲时因解体而坠毁。后来,科学家们发现飞行速度接近音速时,飞机会遇到极大的激波阻力。这时,飞机要么速度难以再提高,要么承受不住巨大的冲击力而粉身碎骨。为了克服和减小激波阻力,人们一改平直的机翼形状,提出了后掠翼设计方案。后掠翼可以推迟激波的到来,减弱阻力强度。

飞机的飞行速度接近音速时,进一步提高速度所遇到的障碍就是音障。空气是可以压缩的。飞机在飞行过程中,不断对空气产生新的扰动,这些扰动引起的压强变化会在飞机前方积累,从而导致空气密度发生变化。密度增加的幅度在不同的飞行速度下是不同的。在0.3倍音速以下,它的增加约在5%左右,因此可忽略不计。当速度进一步提高以至于接近音速时,由于飞机对前方空气扰动导致的压强变化会层层积累,于是在飞机前面,空气密度会急剧增大。而当飞机以音速飞行时,由于扰动的传播与飞机运动速度相同,这样每一个扰动相对飞机来说就不再向前传播,而是依次叠加在飞机头部,造成扰动波的集中,形成一个波面。这时飞机与前面的空气骤然相遇,引起剧烈的碰撞,空气遭到强烈的压缩,密度急剧增大,仿佛一面致密的空气墙壁挡在飞机的面前。这就是所谓的激波。空气在通过激波时,会产生一种特别的阻力,即激波阻力。飞行速度在音速附近时,激波阻力最大,它可能消耗发动机全部功率的3/4,这时再提高飞行速度就十分困难。当飞机超过音速时,这些阻力便会大大衰减。为了突破音障,人们采取了后掠翼、面积律等先进的气动布局;同时喷气发动机的改进也获得了更大的推力。1947年,美国的X-1火箭飞机首次实现了超音速飞行。20世纪50年代初,美国、前苏联、英国等研制出了实用超音速战斗机。

在1935年罗马举办的一场高速空气动力学研讨会中,德国的布泽曼首先提出了后掠翼可降低风阻。1945年1月在NACA的兰利实验室,研究员琼斯在对布泽曼理论毫无所悉的情况下,在设计导弹过程中提出了“亚音速后掠”的理论,经过几个月的超音速风洞吹试,证实了此理论是正确的。

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罗伯特·琼斯经过研究证明了布泽曼理论的正确性

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后掠翼可以大大降低波阻

第二次世界大战快结束时,琼斯向主管建议:以后高速飞机都应该采用后掠翼。战后布泽曼携带丰富的后掠翼模型风洞数据来到美国,加入了兰利实验室团队,而这也立即影响到全世界第一架后掠翼喷气轰炸机——波音1947年推出的六发B-47“同温层喷气”,和北美公司F-86“佩刀”喷气式战斗机的设计,B-47和F-86的机翼都是后掠35度。苏联则根据缴获自德国人的资料,推出了后掠翼的米格-15,该机首飞于1947年12月,只比F-86慢了3个月。F-86和米格-15代表着第一代喷气式战斗机的诞生。

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后掠翼之父阿道夫·布泽曼,手持F-86模型

F-86是世界上第一架在俯冲时达到超音速的飞机,以及第一架可以携带空空导弹的战机。飞机设计之初便制定了很高的速度指标,采用更薄的机翼和更“瘦”的高细长比的机身以求提升速度,但经过实物模型的风动测试还是达不到965公里的期望速度。

1945 年 5 月德国投降后,美国急切渴望获得关于最新的德国喷气式战斗机的信息,以及其他德国秘密战时研究诸如喷气推进,火箭发动机和弹道导弹上的成果。军方从工业界和研究机构中挑选人员组成“寻宝队”前往被占德国领土研究缴获的资料,并制成微缩照片运回美国。

尽管德国关于后掠翼的研究仅仅停留在理论上,当时没有可以达到近音速的飞机。但是这些研究成果还是引起了绞尽脑汁想提高 XP-86(F86的验证机) 性能的北美工程师的注意。

在各国对喷气式飞机还没有具体概念的时候,德国航空工程师已用风洞测试过了人类所能设想的所有气动外形,甚至包括一些奇形怪状的布局,德国人发现后掠翼在马赫 0.9 时有极大的优势。平直翼飞机在近音速时会受到压缩效应的强烈冲击,后掠翼延迟了激波的产生,并且在超音速时产生的激波强度比平直翼小得多,使得高速操控性较好,但德国人也指出后掠翼会导致令人不快的翼尖失速,且低速稳定性不好。

为了弥补后掠翼的低速缺陷,北美工程师在机翼前缘安装了自动缝翼。缝翼完全自动控制,根据所受的气动力打开或者关闭。当缝翼向前滑动打开时,可以加速流经机翼上表面的气流速度,得以增加升力并减小失速速度,在高速时,缝翼自动关闭将阻力减到最小。

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F86还首次采用了全增压座舱和液压作动的副翼和升降舵,机翼是双层蒙皮结构,在机翼油箱外板与机翼蒙皮间填充了沿翼展方向的金属瓦楞结构。此结构代替了传统翼内油箱的翼肋和桁条结构,为机翼提供了足够强度的同时又不占用翼内油箱的容积。

北美公司的 F-86 佩刀毫无疑问是最伟大的战斗机之一,1949 年佩刀进入美国陆军航空队服役,并在朝鲜战争中获得了相当的空中优势。朝鲜战争结束后,佩刀进入盟国空军服役,成许多西方国家的主要战斗机,并且在加拿大、日本、意大利和澳大利亚按许可证生产。佩刀同时也是一个长寿机种,最后一架服役中的 F-86 直到 1993 才退役(玻利维亚空军),可能创造了作战飞机的服役时间纪录。

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在朝鲜战场上,F-86的空中对手是苏联的米格-15。米格-15是苏联第一种后掠翼喷气式飞机,已初具现代战斗机雏形。

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米格-15采用机头进气,机身上方为水泡形座舱,内置弹射座椅。飞行中气流在机头由进气道内的隔板分为左右两股。机翼位于机身中部靠前,后掠角35度,带4枚翼刀,翼下可挂两只副油箱或炸弹。机翼穿透机身,与进气道内的隔板共同作用,将进气气流分为四股。在机翼前缘内放有一定量的铅,以降低机翼对扭曲刚性的要求。

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米格-15三视图

米格-15 一诞生,就遇上了朝鲜战争。刚上朝鲜战场的米格-15 对美军的 F-80、F-84 等平直翼喷气战斗机占有很大的速度优势,对依然在服役的二战水平的螺旋桨战斗机更是可怕。1950 年 11 月 8 日,四架 F-80 和 7 架米格-15 打上了遭遇战,速度和火力占优的米格-15 干脆利落地抢占高度,然后一个殷麦曼倒转,从太阳的方向俯冲而下,打下了一架 F-80。这是历史上第一次喷气式战斗机之间的空战,以米格-15 完胜告终。一时间,美国空军被打得一筹莫展,一直到更先进的 F-86“佩刀”式战斗机加盟,才扭转颓局。F-86 和米格-15 的优劣是世界上争论了几十年的话题,一般认为 F-86 的水平机动性较好,米格-15 的垂直机动性较好;米格-15 的加速较快,但容易进入不稳定区;F-86 的速度较快,液压操纵也使飞机的实际机动性较好。

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米格-15 和 F-86 这一对老冤家,现在时常在航展上同台献艺

在朝鲜战争中一炮打响的米格-15 可能是苏联历史上最重要的战斗机了。尽管苏联战斗机在二战中取得了不俗的战绩,但在西方眼里,苏联依然只是一个二流国家,至少在先进的航空领域里无法和高贵的西方相提并论。米格-15 在鸭绿江上空使美国空军在横扫欧洲后第一次遇到真正的挑战,使西方第一次认识到苏联作为一个超级大国的地位。从此,米格从二战前夕的一个小字辈一跃成为苏联的战斗机之王,米格的名字和最先进的苏联战斗机连在了一起,直到 90 年代苏-27 异军突起。

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