為什麼二戰時期的機翼形狀較圓潤而現在的機翼形狀稜角分明?
橢圓翼形的優點是升力分布比較均勻,相比其他翼形阻力很小。低速情況下操控性和機動性兼顧。缺點是結構複雜,自動化生產較難。二戰時期飛機飛行速度依然較低,而且大都是手工製造,得以大批量生產。
附圖最著名的橢圓翼形飛機P47雷電飛機,最大平飛速度在0.5馬赫左右現在的客機巡航速度也在0.8馬赫左右,軍機能達到3馬赫。橢圓翼不再適合。亞音速和跨音速一般採用後掠梯形翼,超音速一般採用(雙)三角翼或(可變)後掠梯形翼。阻力大大減小,且方便製造。
還有很大關係就是發動機水平。二戰時期都是活塞式發動機,拉力有限,必須設法在氣動上彌補。而當今渦噴或渦扇發動機的大推力可以彌補一些氣動上的不足。
歡迎拍磚。通俗版:
橢圓升力分布在給定翼展的前提下誘阻最低
「最簡單」的實現方法當然是做成橢圓機翼咯工廠要瘋了好嘛。。。加工起來一點也不簡單
後來發現。。。好像矩形翼扭轉一下也能實現橢圓分布。。。大家紛紛用矩形翼去了所以。。。。。二戰時期,那時的飛機速度慢,無需考慮激波等效應,機翼一般不帶後掠。而當時的經典空氣動力學理論證明橢圓機翼的升力分布是比較完美的(相對方形機翼等而言),因此給出設計機翼的指導思想。由於當時的空氣動力學依靠很多假設,這些結論都是很粗略的。
再後來,由於飛機飛行速度增加,首先機翼得後掠以減小激波阻力。其次,空氣動力學理論在進步。升力的產生機理已經不單單從伯努利原理去考慮,橢圓機翼其實並不適合現代戰機飛行條件下的流場結構。目前氣動設計也考慮機翼與邊條,鴨翼或者機身之間的氣動耦合。戰鬥機還得考慮不同迎角下的氣動性能。由於我不是飛機設計的從業人員,此處還無法說得很清楚。
一言以蔽之,因為空氣動力學在進步,氣動性能要求以及工程技術水平也在進步。
首先我想說明一點, 放棄橢圓形機翼並不是對氣動性能的犧牲。現代飛機尤其是運輸類飛機的氣動性能絕不比螺旋槳時代更差。
以我之見,這種區別更多地是反映了設計指導思想和設計理念的變遷。當然,除此之外飛機設計目標和製造技術的變化也有重要的影響。
二戰時代時空氣動力學的成長時期,勢流理論告訴我們橢圓環量分布具有最小的誘導阻力,那怎麼辦呢?最簡單的思路就是把機翼平面形狀做成橢圓的。
在跨音速時代,機翼的前緣後掠角和1/4弦線後掠角都是重要的參數,這些玩意當然在梯形翼上才好定義。後來人們又意識到橢圓環量分布只是氣動的最優,而不是全局的最優。因為橢圓環量分布時翼尖載荷過大,導致翼根彎矩過大從而帶來結構增重。更高效的設計是把載荷向內翼更集中一點。這樣,反正不用刻意追求橢圓環量分布了,而且機翼的環量分布還能通過翼型扭轉來實現,那幹嘛不把機翼平面形狀設計成更容易製造的樣子呢?
到了現代,設計技術的進步使得人們可以處理更「任意」一點地形狀,所以飛機的樣子又會變得更圓潤一點。/*圖片居然不能上傳,自己去搜個波音787看吧,圓潤多了,後緣已經不再是折線了*/
另外,飛機速度的提高使得機翼的厚度和前緣半徑都有所減小,這也使得飛機看起來更「尖」而不是圓潤,但是這個視覺效果應該是很不明顯的。飛行學員說得蠻好,不過我對他的例子不滿意
二戰具有最優雅機翼的是噴火的:
現代噴氣機推力夠大,氣動方面不需要在這些邊邊角角的地方省,為了製造維護便利不會傾向用這種複雜的形狀。應該還是主要為了方便加工。Su27的最早氣動原型機翼前緣是三角函數曲線的,印象里是到了工廠後給拉直作方了。找了半天沒找到T10的合適角度照片,只能發下面這張了。
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