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如何看照片识飞机性能  

2007-03-10 15:34:03|  分类: 装备科技C |  标签: |举报 |字号 订阅

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看照片识飞机性能

  要了解一架新作战飞机的特点首先是看它的外形。重点观察机翼几何特点、安装位置,有没有尾翼,尾翼与机翼的相对位置,座舱盖的大小形状。还有发动机的安装位置,进气口的位置和大小,进气口唇口的特点,有没有可调节的整流锥或整流板,尾喷口的外形数量等。从这些特征通常可以分析出这种飞机的设计重点、主要任务和基本性能。如果不能看到真飞机,比较逼真的模型或者照片,最好是不同角度拍的照片,也很有参考价值。

  现在不妨以题图中的这架飞机为例,来作些许分析。

  首先从座舱大小和飞机外形可以看到这是一种单座单发动机飞机,尺寸和起飞重量并不太大,因为座舱相对机身较大、机轮相对精巧。它应是中型飞机而不是像歼7那样的小飞机,也不是苏-27那样的大飞机。它应该是战斗机(机身腹部前轮舱左侧似有一门航炮,机翼还挂有空空导弹)。其次是该飞机用三角形机翼鸭式布局。鸭翼是全动式,表明它用了电传操纵甚至是主动控制技术。飞机的鸭翼相当靠近机翼,可利用近距耦合的作用,而且飞机一定会放宽安定度以提高其机动能力。

  近年来翼身融合设计非常流行,该技术可以扩大机身内部容积、减轻机体重量、减少雷达散射截面(RCS)。而从外形看,采用该技术的飞机机身和机翼之间的过渡应很圆滑,即翼身之间不是简单的小整流片,而是从机身完整地“顺”到机翼上去。但这只能从飞机前方或侧前方的照片看出来。

  照片显示该飞机机身中部略有收缩,很明显是按照“面积律”设计的。面积律设计有两大类,一类是跨音速面积律,即以飞机从头到尾垂直于纵轴的各个总横切面面积画出曲线,该曲线应该是接近圆滑的流线型,当中不应有明显“鼓包”或凹下之处。其好处是使飞机的跨音速阻力小,从高亚音速可以比较容易地增速到超音速。但达到超音速后作用就不明显了。另一做法是根据设计的超音速M数对应的斜激波方向作全机切面,这些切面面积沿纵轴分布应是流线形的。这种设计称“超音速面积律”,有利于飞机在设计时预定M数。当然,单从照片甚至在真飞机面前也不易分清楚用的是哪一类面积律。



  后机身下方有两片大腹鳍,从照片上看好像不是直接装在机身上,而是固定在机身两侧的小边条上,稍向外倾斜,估计约30°。这样做一方面可增大擦尾角,即可用大一些迎角着陆而不会使尾部或腹鳍碰触地面,此外还对隐身有利,降低侧面RCS。超音速飞机在M数约2.0左右时方向安定性都比较紧张。用这样大的腹鳍可说明两点,一是该机最大飞行M数较大,其次是改出螺旋性能会较好。至于后机身两侧的小边条可能对全机安定性调整有利,特别是可改善大迎角的改出性能。美国F-16飞机就有这样的边条,不过比较大。照片中飞机的腹鳍直接装在边条外侧,起翼尖挡板的作用,相当于增加边条的展弦比。这可能是只需要较小的边条面积的原因。

  进气口是长方形的所谓二维进气口,似有可调节进气板。这种进气口效率比较高,唇口很尖,表明这种飞机设计最大飞行M数应大于1.8,否则进气口不需要那么复杂。从垂尾前缘非金属材料和顶端的形状以及机身外露天线等还可推测出它的一些电子设备。机身的非金属头锥表明内有火控雷达天线。以座舱内露出的驾驶员头部尺寸,可以估量出机头能安装的雷达天线的大小,这样雷达的性能也就有个范围,如果天线太小,发现距离肯定远不了。照片中的飞机可能是在起飞状态,所以鸭翼用正迎角产生抬头力矩,帮助飞机达到大迎角,这样它的起降性能比较好。如果是着陆状态,鸭翼和机翼前缘襟翼应偏转更大角度,机翼后缘升降副翼也应向下偏。

  这里只是简单谈一些从照片识别飞机性能的知识,不一定准确。如果能结合正式发表的飞机性能教据就会弄清楚了。一般来说,多比较几种型号飞机,多看杂志上发表的飞机解剖图和照片,以后看飞机照片时能发现的东西就多了。

为什么鸭式布局流行

  现代很多新型作战飞机都采用鸭式布局,照片中这架也不例外,下面从一般原理上解释一下为什么新型飞机多用鸭式布局。

  经过几十年的发展,现代作战飞机的气动布局已有很多种,例如常规布局、无尾布局、鸭式布局、飞翼布局和三翼面布局等等。各种布局都有其特殊性和优缺点,都产生过很有名的作战飞机。一般来说,在无平尾飞机的机翼前加装小翼面(多数可操纵)的称为鸭式布局,而在已有水平尾翼的飞机机翼前再加水平翼面的称为三翼面布局,只有垂尾没有平尾的称无尾布局,连垂尾都没有只有机翼的称飞翼布局。



  二战前,已有人研究将水平翼面放在机翼前机头两侧,又基本上恢复莱特兄弟第一架飞机的气劫布局样式。由于早期的这架前水平翼面布局飞机前机身较长,外形像一只鸭子,所以称为“鸭式”。后来的鸭式布局战斗机可不像鸭子,不过已经这样称呼就沿用下来了。它的前翼通常称为“鸭翼”。

  20世纪初,战斗机设计师们发现三角翼战斗机的优点很多,例如超音速阻力小,结构重量较轻,翼负荷小对机动有利等。但三角翼的展弦比都很小(约为2.0~2.5),升力系数风迎角而增加的比例(即升力系数曲线的,料率)也小,在着陆迎角时升力系数就不大。而无平尾纯三角翼飞机不宜用后缘襟翼(配平困难),而且在大迎角时为了平衡的缘故,还要求机翼后缘的升降舵和升降副翼上偏一些,在起落状态时可用升力系数就更低。所以,无尾三角翼飞机(如法国“幻影”III)的起降性能都很差,起飞着陆滑跑距离差不多要比有平尾的常规飞机长50 % 左右。而有水平尾翼的米格-21就可以使用襟翼,起降性能比“幻影”III好。

  无尾三角翼飞机的这个缺点直到采用电传操纵,放宽飞机静安定度,允许重心相对靠后以后才有所克服。例如,同样采用无尾三角翼的“幻影”2000的起降性能就比“幻影” III好得多。两种飞机同样布局(“幻影”2000进气道两侧有一对小片,只起涡流发生器的作用,不是鸭冀),由于前者采用电传操纵,而且基本上中性安定,同时推重比也大,所以起飞滑跑距离比较短。

  如果采用鸭式布局,配平飞机时,可利用整个前翼或前翼后缘襟翼向下偏转,即可给出较大的抬头力矩,同时会产生正升力,提高了飞机的总升力。这种良好的作用在大攻角机动和起飞、着陆过程中尤为明显。



  鸭式布局的前置翼面在飞机重心之前,所起的作用是不稳定的。但是只要飞机的重心设计合理,飞机仍可保证全机俯仰稳定,前置翼的不稳定作用可以克服。而现代飞机有电传操纵系统,飞机采用放宽静安定性设计,有点俯仰不安定反而有利于机动.更能发挥鸭式布局的优越性。如果用鸭翼而没有电传操纵,全靠飞行员操纵多种翼面,工作负担将会太重,效果不好还容易出事故。

  但设计鸭翼布局战斗机时,不同战斗机对鸭翼的要求是不同的。后来的研究发现,前置翼面有三种功能:改善主机翼气流流场;产生合适的俯仰力矩以平衡或操纵飞机俯仰运动(包括克服现代战斗机推力矢量可能引起的力矩变化); 着陆后增加飞机阻力。因此现在的鸭式布局发展成两种类型,即近距祸合式和俯仰平衡式。但这只是按设计鸭翼的侧重点来说,并非绝对的界限分明,其作用也是并存的。

  世界上第一种成功利用鸭翼的作战飞机是1961年左右瑞典研制的Saab37“雷”式战斗机。它的鸭翼不能动,但有效地利用了旋涡系的作用。在大迎角时前翼产生强大的涡流,加强机翼的前缘涡,改善飞机大迎角状态机翼翼面气流流场,增加升力,有利于飞机短距起降和机动性能的提高。这种空气动力的相互作用称“近距耦合”,这种气动布局就称为“近距耦合式布局”。由于涡流对鸭翼与机翼的距离远近和两翼面的上下距离位置很敏感,必须仔细设计和试验来决定其相对位置,否则作用不大或甚至有害。

  如果前置冀面与大后掠角机翼相对位置合适,在大升力(大迎角)时前置翼面产生的脱体涡系正好经过后面的主翼面。在这种情况下,前置翼面所产生的旋涡系会改善主翼面上的压力分布,有可能使升力增大20%~30%。这种涡流同时作用于垂尾,得到良好的横侧稳定性。例如,有鸭翼的Saab37最大配平升力系数要比没有鸭翼的Saab35“龙”式战斗机大50%。前者是近距祸合式的典型。

  法国的“幻影”III战斗机曾有一种改型,在座舱下的机身两侧加装了一对面积不大,但展弦比较大有下反角的前翼,像八字胡须,试验后效果很好。后来,由于结构上改起来比较复杂,加上当时飞机没有电传操纵系统,使用起来也有困难,因此没有批生产。而法国的“幻影”4000(没有投产)、“阵风”则是近距耦合式,鸭翼完全可以操纵。

  后来的新式鸭翼战斗机主要利用其第二种功能,鸭翼为可操纵。例如英、德、西、意合作的“台风”,俄罗斯的米格1.44 和瑞典的JAS-39“鹰狮”等。这些飞机的鸭翼离机翼较远,主要用来改善飞机的敏捷性,克服三角翼的缺点。它在飞行中偏转的角度完全由计算机通过电传操纵系统视情况自动控制。当飞机从亚音速向超音速过渡时,鸭翼可减少飞机焦点前移(否则会使安定性猛增不利于机动),减少配平阻力和宜于进行超音速空战。此外,在着陆接地后的滑行过程中,若想让鸭翼起减速板的作用,可让其偏转一个很大的负角(后缘向上大于60°)。

  为提高格斗机动性,将来战斗机可能采用推力矢量发动机,尾喷口能根据需要偏转15°~ 20°但这种状态除了增加飞机的机动能力外,还会产生一定的俯仰力矩,使飞机平衡困难。有鸭翼的飞机则可以较好地解决这个问题。



  理论和实践都已经证明,鸭式布局特别适合与三角形机翼相配合。自从这种布局有关的技术问题为研制人员所掌握后,战斗机已经很少再采用无尾布局所以现代新型战斗机采用鸭式布局是很有道理的,也为将来采用推力矢量技术,提高格斗机动性做好准备。

  现在的问题是,为什么美国的两种最新战斗机F-22和F-35都不用鸭式布局呢?现代战斗机有三种时髦的设计。一是前述的鸭式布局,包括鸭式三角翼和鸭式前掠翼。第三种就是美国一惯采用的大边条翼。前掠翼在美国和俄罗斯都有验证机,如X-29和S-37(S是工厂研制编号,正式编号苏-47)。这种机翼在气动力上是有好处的,升阻比大、格斗机动性好、亚音速航程较远、抗失速偏离能力强,对起降性能也有利。但机翼要求刚性特别好,否则会产生气动弹性发散,即不利的气动扭转。现在用复合材料特别剪裁工艺制造机翼才能满足抗扭要求。而这样的机翼抗损坏性和战时修复性较差。美国试飞完X-29后就对此种设计不再感兴趣。至于俄罗斯下一代新战斗机是否用这种布局还不清楚。



  美国从F-5、F-16开始即很欣赏大边条翼,这种机翼加常规尾翼对机动性,特别是大迎角机动性很有好处,垂尾可以倾斜以利隐身。而且美国对这种布局设计已经很有经验, F/A-18也是用大边条翼。由于鸭翼对隐身性能不利,F-22和 F-35对隐身能力的要求又放在很多其它要求之前,显然用鸭翼不大合适。飞机是一种综合平衡的高科技产品,不同总设计师各有不同观点。不管黑猫、白猫,能抓住耗子的就是好猫飞机布局似乎也是这样。
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