關于飛機前掠翼的發展及分析

張翰

北京市海淀實驗中學

關于飛機前掠翼的發展及分析

張翰

北京市海淀實驗中學

在高新科技引領時代發展的今天，飛機制造領域的發展很大程度上就能代表國家的國際地位。在當前情況下，后掠翼飛機是各個國家空軍裝備的主要飛行器。后掠翼飛機在高空高速有著比較好的機動性能，但是前掠翼可以使飛機的氣動性能大大提高，使得飛機在飛行時機動性能成倍地提高。由于技術和材料的制約，使得前掠翼飛機不能夠很好地推廣和應用。前掠翼飛機的流行和推廣必然離不開材料技術的高速發展，更多性能更為優異的材料將為前掠翼技術的發展奠定基礎。

氣動彈性發散；前掠翼飛機；航空航天材料

引言

上個世紀的研究人員自從認識到了前掠翼的一些缺點之后，并沒有找到合適的方法解決這些問題，導致前掠翼飛機沒能夠正常地繼續發展。前掠翼飛機研究的停滯不僅僅是這種翼型本身的缺點，更可能的是材料無法達到讓前掠翼飛機能夠正常飛行的要求。但是科技的進步帶來了全新的材料，各式性能更好的材料讓前掠翼飛機的發展重獲新生，也意味著其作為一種重要的飛機翼型在各領域都將得到更為廣泛的應用。

1 前掠翼的認知與發展

前掠翼和后掠翼都是兩種相對的概念，是憑借飛機的翼型來進行分類而得出的。后掠翼飛機的定義是，掠角為鈍角，也即飛機的前緣和后緣均向后掠，由此稱之為后掠翼飛機。飛機前掠翼技術最早發源于第二次世界大戰，當時的德國人設計出了世界上第一款前掠翼飛機。但是前掠翼飛機由于其機翼結構的原因，在氣動載荷的作用下，會導致其機翼迎角增大，進而進一步增加其所受的氣動載荷。上世紀70年代，復合材料的出現為前掠翼技術帶來了轉機，其結構上的彎扭變形耦合效應成功克服了前掠翼飛機的“氣動彈性發散”的問題，也讓前掠翼技術重新回到了航空界的視線之中。

1.1 前掠翼技術的優點

（1）結構方面：前掠翼的機翼結構可以更好地連接機身與機翼部分，使得飛機所承受的壓力分配更加合理。

（2）機動方面，前掠翼飛機的機動性非常優秀，尤其是在在亞音速飛行時，前掠翼飛機的氣動性能表現極為優異。

（3）起降方面，前掠翼飛機和相同機翼面積的后掠翼飛機相比，升力更大，載重量更高，增加飛機操縱性能。

（4）控制方面，采用前掠翼結構的飛機，操縱性能更強，飛機的空氣動力效能更加優異，失速速度明顯下降，飛機的安全性能也因此得以大幅度提升。

2 前掠翼設想

2.1 前掠翼的結構與材料

前掠翼的主要缺點就是氣動彈性發散的問題，也就是說翼尖會在飛行過程中發生劇烈地振顫。而又因為飛機的重量不能夠過大。這就需要讓機翼能夠承受足夠大的力。

可以將機翼設計成由多個模塊組合而成的一個整體，并且這些模塊可以根據飛行狀態并利用機翼剛性分布計算機計算法進行系統地組合，使得機翼各部分的剛度能夠剛好滿足飛行的條件，而不必使機翼過多地增加重量。

2.2 前掠翼的連接

因為前掠翼飛機存在著氣動彈性發散，這就使得機翼在翼梢和翼根受到的力相差極大，而想要使得各部分都能承擔住那份力，機翼之間的連接結構就必須做到穩定，承受的變形力要強。為了將機翼的兩部分柔性的連接在一起，就需要一種類似于Z型啟動器的連接器。這種連接器瘦小，但是中間的長度可以自由伸縮，而兩端的長度較短，并且在兩端都裝有小軸承，這就能使得這個連接器能夠自由轉動。為了保證在飛行時的穩定性，在飛行的時候則必須將這個連接器固定，需要在軸承外圈增加一條足夠插入一條固定軸承的鐵片的縫隙，所以軸承需要經過特殊處理，并且能使連接器的杠收縮到足夠的尺寸。

2.3 前掠翼飛機的外形

另一種設想是將鴨翼設計成可變的即可變鴨翼，這種鴨翼可伸長并且可以旋轉。這樣可以實現飛機在前掠翼和后掠翼形態直接隨意切換，鴨翼在展開時與前掠翼的機翼相銜接，使得其整體成為飛機的后掠翼飛機，而收回時則變成了前掠翼飛機的鴨翼。這種鴨翼也可用上述的連接器進行連接，但只需要在隱藏在機體內的部分安裝，這樣就能使連接器的杠能夠隱藏在機體內部，否則將會影響飛行。為了能使鴨翼能自由伸縮，則必須在機體中留出一條縫。這時連接器的杠就能夠有用了，在鴨翼處于收縮狀態時，用杠來填補縫隙，使飛機形成了一個整體，沒有多余。

但是飛機存在是沒有足夠的空間安裝兩塊可變鴨翼，考慮通過兩塊鴨翼重疊放置來解決飛機空間不足的問題。這樣的話，就能做到將這兩個鴨翼做成不一樣性質的。一邊的鴨翼就是做成只能夠進行伸縮，而另外一邊，則需要做成上下兩片形成一個可以自動擴張和收攏的套子。或者運用多層疊加的方式將可變鴨翼設計成三段或更多段，這就需要對每層都進行設計。與前掠翼銜接的那一段不必進行特殊的設計，因為這一段的中間是空的，這只要能做到將在外的兩片向中間移動合成一片并能夠向前移動。而中間的那些層則需要形成上述可以自動擴張和收攏的套子，重復第一段的操作就能夠使各層能夠很好的銜接。而對于最后一段則是固定不動的，只需要做到那個可以收攏和擴張的套子，這樣就能是鴨翼能夠很好的運行。

3 總結與展望

現在前掠翼的發展還處在低迷狀態，所有的設想也都只是在實驗階段或者只是猜想階段。但是隨著時代的發展，技術的進步，前掠翼飛機又慢慢地進入了人們的視野之中。技術的日新月異，將會造就前掠翼的崛起，前掠翼作為機翼中的佼佼者，能夠帶領人們走入一個全新的飛機時代。前掠翼相對于后掠翼有著更好的穩定性，能夠飛行的范圍更寬，能夠有更好的機動性能，或許前掠翼會成為飛機設計的重點，不再被忽視。

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