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结构强度是不够的。但是可以把它做成一个双层的或者三层的,这样会形成一个箱体,它的结构强度就是满足要求的。所以早期应该地来讲,飞机为什么是双层的或者是三层的,主要有这两方面的原因。
那么随着飞机技术的发展,飞机发展到它的第二个阶段,叫单直翼面的飞机。那么左边这幅是世界上比较早出现的一种单直翼面的飞机,是英国产的。那么右面边这幅图是非常有名的Bf。109,它在第二次世界大战里面发挥了很重要的作用。那么它另外一个作用,是在二十世纪三十年代,在西班牙战争里面,那么曾经大败英国的非常有名的双翼机。从而确立了单翼机在战斗机这个领域里面的地位。
那我们看到的这两幅图,就是被Bf。109打败的英国的格罗斯特斗士双翼机。
我们看到这两架飞机也是一个单直翼面的飞机,那么它也是非常有名的。
左面这幅图是日本的“零”式飞机,那么在第二次世界大战里面,特别是在太平洋战场,是非常有影响的。在战争的初期,“零”式飞机应该说是天下无敌。那么曾经在我们中国作过战,据记录击落了中国的战机99架,那么自己损失了两架,这两架还不是被击落的,而是由于在地面自己损坏的。那么在偷袭珍珠港的战役中,“零”式飞机也发挥了很重要的作用。那么在攻打菲律宾和其它东南亚的国家的时候,我们知道那个时候美国在这些国家都有驻兵,那么很快能把东南亚拿下来,那么这架飞机来说,应该说是功不可没。
那么右边这架飞机,是美国的F…6F,叫恶妇,它有一个绰号叫恶妇。它的出现以后,就击败了“零”式飞机,那么它总共击败了4947架日本的飞机,那么其中大多数是零式飞机。那么它又是单直翼面的飞机。
我们看到这幅图是二次大战里面非常有名的单直翼面的飞机,叫P…51系列,它有一个绰号叫野马系列。那么它是在二次世界大战后期,对战争的胜负或者对空中的优势,对美国的空中优势,对盟国的太平洋战争取得胜利,应该说起了一个非常关键的作用。它性能是非常好的。
大家同样有一个问题,为什么出现单直翼面的飞机呢?主要有三个方面的原因。
第一个原因,随着人们对空气动力学的认识,发现飞机的升力并不是随着翼面层数的增加而线性增加的。像根据空气动力学家的研究,那么单翼面飞机,它的最大升阻比可以达到17,而双翼面飞机它的最大升阻比达到14,那么这里面有个概念叫升阻比,什么意思?就是飞机的升力和阻力的比值。我们知道,设计飞机要升力比较大、阻力比较小,这是我们基本的原则。升阻比比较大的话就说明性能比较好。
那么三层翼面的飞机,经过空气动力学家的研究以后呢,最多(升阻比)只能达到12,因此可以看出来,它并不是线性增加的,它的升阻比,它并不是随着飞机翼面的层数的增加呈线性增加的关系。
那么第二个原因,就发现,在飞机的多层翼中间,特别是在翼面中间有(气流)涡系,那么这个涡系相互影响,增加了飞机的阻力。
那么第三个原因,随着工业技术的发展,这个时候人们已经开始用铝合金,大家知道铝合金它是比较轻、强度又比较高的一种材料,用铝合金开始制造飞机。那么就解决了双翼机和多翼机开始的时候存在的它的结构强度不够,必须用箱体承载的这么一个缺点,开始用金属,铝合金的结构来制造飞机。
实际上飞机在发展过程里面,在初期的发展过程里面,它一直在追求它的飞行速度。那么到单翼机出现以后,人们还希望它的速度继续提高,这个时候就面临一个突破音速的一个概念。那么随着这个人们需要飞机速度超过音速这样一个概念的出现,那么就出现了后掠翼的飞机。那么突破音障,那么这个概念的话,实际上是有两个,最后有两个(因素)作用来完成的。第一个就是,飞机的动力系统,由螺旋桨改成了喷气式的发动机。第二个,就是发动机(飞机)的机翼由平直机翼改成后掠的机翼。因为我们今天主要讲外型,所以不涉及到动力系统,所以我们仅仅从外型的角度来看,它是怎么样帮助飞机超过音速的。
那么这两架飞机,实际上是世界上比较早的,在实战中使用的后掠翼的飞机。我们看机翼是一个向后倾斜的,所以我们把它叫后掠。
那么这两架飞机呢,米格…19和F…101,那么也是后掠翼的飞机。那么米格…19,在我们国家叫歼…6,也是比较有名的后掠翼的飞机。
那么刚才我们讲了,随着人们追求这个飞机的飞行速度,在飞机设计的初期的时候,它是一个一直追求的一个目标。那当飞机接近音速的时候,音速是什么概念呢?我们知道,在海平面,温度在摄氏零度的时候,它声音的传播速度是每秒340米,大概是(每小时)1224公里左右,那么当飞机的飞行速度接近音速的时候,就会出现一个新的现象,叫激波。那么激波产生以后,那么就会对飞行物或者对飞机产生一个波阻或者压差阻力。那么这个阻力是由于空气的压缩形成的,这个空气的压缩层,这个激波,实际上是一个很薄的空气压缩层,它的厚度大概是千分之一到千分之四厘米这个量级,这么一个薄的空气压缩层,它前后空气的压强变化很大,就导致了这个飞机或者飞行物形成一个压差的阻力,我们有的时候也把它叫做激波,叫波阻。
那么飞机采用这个后掠的概念以后,可以延缓激波的产生,换句话说,可以减少波阻,像我们看到这幅图,那么这个是来流的速度,也就是飞机的飞行速度,它是超音速的,因为这个叫马赫数,马赫数就是飞机的飞行速度和当地的音速的比值。为什么当地因素呢?随着飞行高度或者飞行的过程不同的话,它声音的传播速度是不相同的。
那样如果机翼采用后掠的概念以后,这个时候垂直于机翼前沿的流速,它是飞机飞行速度的一个分量,M∞×cosλ0,λ0是它的后掠角。那么飞机飞行速度是超音速的,但是它流经翼面的气流的速度是亚音速的,那么经过精心设计以后,只要满足一定的要求,那么流经后掠翼飞机,机翼前沿的速度,总是处于一个亚音速的状态。那么就可以避免激波的产生,减少波阻,这就是后掠翼为什么产生的一个最根本的原因。
对后掠翼来讲,当飞机的飞行速度接近音速,或者超过音速不多的时候,那么后掠翼是起作用的。那么当飞机飞行速度很高,超过音速很多的时候,那么这个时候,它整个飞机的表面,包括它的一些,包括流经机翼的速度,气流的速度,它超过音速是不可避免的了。那么这个时候,就出现了三角薄翼的飞机,为什么会出现三角薄翼的飞机呢?我们看这幅图上,就是世界上比较早的出现的几种三角薄翼飞机,像我们比较熟悉的米格…21,我们国家现在改进以后,叫歼…7,等等,那么都是三角翼的,那么现在很多飞机的外型实际上也是三角翼的。那么三角翼应该说它时间比较长,到现在很多飞机仍然是三角翼的。
那么为什么飞机要变成一个三角薄翼呢?主要有两个方面的原因。
第一个方面的原因,人们发现,激波的阻力实际上跟飞机的机翼的厚度和它弦长的比值是有关系的。这个值越大,阻力是一个呈非线性增加的。那么只要是采用三角薄翼以后,这个厚弦比,这个参数就可以大大降低,这个就是减少波阻的一个最佳的途径。因此,就出现了三角薄翼飞机。
另外一个优点呢,三角薄翼飞机呢,它相对于后掠翼,我们刚才前面讲的后掠翼飞机来讲,在同样的机翼厚度和弦长比值的情况下,它跟机身对接那部分的高度是比较高的。对三角翼来讲,它的高度是比较高的。这部分结构高度可以用来干很多事情,比如我可以在这里面放起落架,我可以在这里面装油。因此,有这两个优点以后,人们在飞机上就采用了三角薄翼。
人们就想了,刚才我们也讲过了,在飞机速度比较低的时候,采用平直机翼的飞机比较好,人们经过研究以后,发现什么样的平直机翼,对低速来讲最好的呢?是展弦比,就是它飞机的展长和弦长的比值在5到6的时候,这种机翼对低速特性是比较好的。我们刚才讲到,在飞机超音速飞行的时候,它的后掠机翼和三角薄翼是比较好的。但是对一架飞机而言,对于任何一架飞机而言。它�