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飛機機身兩側各有一個平直機翼,機翼下吊裝發動機,這是我們最常見到的飛機構型。客機、運輸機等大型飛機的機翼通常採用大展弦比,戰鬥機為了獲得高速、高機動效能,機翼多采用小展弦比設計,但它們的共同點都是平直結構。

你也許不知道,機翼除了平直形狀外,還可以設計成其他各種形狀。如今最常見到的異形機翼是翼身融合體設計,例如美國的B-2隱身轟炸機,它就沒有明顯的機翼和機身劃分。除此之外,異型機翼還有W形、Z形機翼,半圓甚至環形機翼。總之,無論機翼設計成什麼形狀,只要能產生足夠的升力就行,之後需要考慮的,就是異形機翼的設計、製造成本和使用、維護的便捷性。

安東諾夫設計局在CCW飛機基礎上製造的安-181短距起降飛機

半圓形機翼

上世紀20年代,美國人卡斯特為他的半圓形機翼設計申請了專利,但直到1942年,他才獲得投資,將圖紙上的設計變成現實。卡斯特的半圓形機翼比當時傳統的後緣襟翼、開縫機翼等增升設計獲得更大的升力,使飛機具有遠超同時代其他飛機的短距起降能力,這推動了上世紀五六十年代人們對異形機翼、異形飛機設計的又一次深入探索。1984年,卡斯特去世之後,前蘇聯安東諾夫設計局甚至按照他的設計理念,製造出了安-181短距起降飛機。2002年,NASA科學家羅伯特·恩格拉使用新技術對卡斯特的半圓形機翼模型進行了風洞試驗,證明了這種氣動外形的升力係數比採用傳統增升設計的機翼高2倍,且阻力更低。

半圓形機翼的升力效能之所以好,其實是因為涵道效應。半圓形機翼相當於發動機進氣道,流經此段機翼的氣流速度更快,因此升力更大。阻力小也是因為氣流流速快,機翼表面的附面層更薄,因此可以大幅降低摩擦阻力。如今,採用類似技術原理的飛機有安-72/74,安裝在機翼上方的發動機不僅可以減少異物吸入,發動機尾流還能增加機翼上表面氣流流速,進而增加升力。

卡斯特和他設計的CCW半圓形機翼飛機

環形機翼

採用環形機翼設計的飛機還真不在少數,除了這架現存於白俄羅斯明斯克的環翼機成功地進行過飛行試驗外,採用環形機翼設計的還有法國C-450垂直起降驗證機等。

法國C-450垂直起降驗證機

環形機翼的優點是,上下圓弧可以產生升力,兩側圓弧可以阻隔翼尖渦流,能最大限度的減少誘導阻力的產生,並且可以提供航向穩定性。由於環形機翼設計不存在橫滾穩定性問題,因此人們更多地將這種設計用於垂直起降飛行器,例如C-450垂直起降驗證機。

環形機翼飛機

C-450是法國人在1959年製造的一款驗證飛機,動力為一臺渦噴發動機。環形機翼具有良好的失速效能和阻力效能,但是這些優點帶來的飛行穩定性並不能在垂直起飛階段充分體現,加之垂直起降需要強大的推力和複雜的姿態控制,C-450驗證機專案最終以失敗告終。與之相比,美國人設計的X-13垂直起降驗證機,大三角翼可以使飛機的操控迴歸傳統,變得更加簡單,X-13可以更輕鬆地從垂直起飛轉變為平飛,且更方便降落回收。

可變和連線翼

環形機翼雖然具有高升、低阻特性,但由於控制系統相對複雜,製造難度大,且不易起降,因此暫時退出了歷史舞臺。但人們對機翼的研究卻沒有停止,1972年至1982年間,NASA在美國德萊頓飛行研究中心對一款可改變機翼角度的飛行器進行了研究,這款名為AD-1的驗證機可以在飛行時將位於機身上方的平直機翼在0~60度之間旋轉。風洞試驗期間,工程師獲得了AD-1模型在最高1.4馬赫速度下的升力特性,資料顯示,其氣動效能比傳統機翼構型要好。高速飛行時,機翼從正常位置旋轉60度,可以獲得更好的高速效能。

美國AD-1可變機翼驗證機

AD-1可變異形機翼的原理類似F-14、“狂風”這類可變後掠翼戰鬥機,但是具有比後者更簡單的機械結構。事實上,傳統的軸對稱可變後掠翼設計更適合載人飛行器,無論是戰鬥機、轟炸機,還是未來可能出現的新型客機,都不太可能使用類似AD-1的非對稱機翼設計。但是,這種對異形機翼技術的研究更多地出現在了小型、微型特種飛行器上。

航空愛好者自行設計改裝的連線翼飛機

為了獲得高升限和長航時,一些無人機採用了連線翼佈局設計。連線翼飛行器後掠的前翼和前掠的後翼在翼尖或中部連線,形成框架結構,這種概念最早在上世紀70年代由美國人提出,優點是重量輕、剛度大、誘導阻力小、跨聲速面積分布好、配平係數高、具有直接升力和直接側力控制能力,穩定性和操縱性佳。如今,除了有大型無人機採用這種設計外,不少小型遙控式偵察機、航空運動模型也都採用了連線翼設計。其實,連線翼是環形機翼的變種,結合了環形機翼和傳統平直機翼的多種優點。

連線翼高空長航時無人機

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