歼-10战斗机使用的“蜂腰”设计是基于什么原理,有何好处?

  如果我们将任何一个飞机从头到尾,进行横向切割,每个切割面的面积作为Y轴坐标值,而各个截面相对于机头的距离为X轴,这样进行绘制出一个横截面面积-机体坐标之间的函数曲线图(下图)。

歼-10战斗机使用的“蜂腰”设计是基于什么原理,有何好处?

  由于各个横截面的面积是机翼截面和机身截面之后,一般情况之下,对于常规飞机而言,在机翼和机身交汇处的截面积就会比较大(上图左侧)。根据空气动力学的风洞试验和计算流体力学CFD的仿真气动计算表明,如果面积曲线变化在中部比较凸起的话,这架飞机在进行超音速或者跨音速飞行时,就会面临较高的空气阻力。

  针对这种问题,工程界也提供了一种有效的改进方法,这就是题目所说的“蜂腰”机身设计。也就是说,在机翼和机身交汇的部分,将机身进行收缩处理,这样就可以有效降低机身的截面积,从而和机翼截面积累加之后,整个飞机的截面积曲线变化的就非常的流线化,这也就是行业内经常说的面积律修型(下图)。

歼-10战斗机使用的“蜂腰”设计是基于什么原理,有何好处?

  经过这样的处理,这种飞机在飞行过程中,尤其是跨音速飞行或者超音速飞行,激波阻力就会比较小,从而能够获得更好的飞行性能。

歼-10战斗机使用的“蜂腰”设计是基于什么原理,有何好处?

  所谓“蜂腰”结构设计,是歼-10等超声速战斗机为了提高跨声速和超声速性能而采取的一种特殊的气动外形设计。因飞机的机身不再是像传统飞机那样采用前后一样宽的圆柱形机身,而是在机身中段连接机翼的部分有一个明显的收腰设计,就像是蜂腰一样缩进去而得名。

  蜂腰设计的原理,是基于空气动力学的一个重要的理论发现“跨声速面积律”而产生的。跨声速面积律的最早发现者,是美国著名空气动力学家惠特科姆。

  20世纪50年代初,美国空军的战斗机已经实现了喷气式化,F-86等战斗机的速度突破螺旋桨飞机的极限,创造出一个又一个速度飞行记录,此时研制战斗机所遇到的下一个难关就是如何进一步提升飞行速度,突破音障。当时美国的航空科研人员们普遍认为,要突破音障,需要采取的两个办法,一是进一步增加战斗机的后掠角,二是进一步提高涡轮喷气式发动机的推力。然而他们很快发现,飞机在音障附近飞行时,遇到的气动阻力会显著增加,是高亚声速时气阻的好几倍。虽然将F-86这样的高亚声速战斗机的后掠角从35度增加到45度,但其最大速度仅略有增加,不足以突破音障,而采用了更大推力J57型发动机的F-100战斗机,其平飞最大速度也不过1.03马赫,虽然堪堪突破声速,但一方面这种状态难以长时间保持,另一方面,航空界的观点认为如果飞机的速度不能超过1.2马赫,那么只能算是跨声速区间飞行。一时间,可以说美国航空界为战斗机超声速问题忙得焦头烂额。

  就在这个时候,惠特科姆的头脑中却灵光乍现,冒出了一个天才般的想法。1951年,在一次气动力学术研讨会上,当时的美国航空学会首席空气动力学家阿道夫。布泽曼博士(布泽曼是当时世界著名的空气动力学家,是发现后掠翼可以有效降低飞行阻力提高飞行速度的第一人)一篇阐述跨声速气流基本特性及相关问题的论文给当时也在苦苦思考超声速问题的惠特科姆以很大启发,惠特科姆根据布泽曼的理论进一步研究、计算和思考,他认为,飞机之所以在突破音障时遇到阻力,就是因为飞机前方的来流量很大,就像是马路上奔腾而来的滚滚车流,挡住了飞机的去路,要想使飞机实现超声速飞行,就必须让从飞机正前方快速流过的高速空气流有一个去处,有一个宣泄的途径。惠特科姆在多年后回忆道:“当时我的脑子里出现了一个像可乐瓶的形状,第二天,我就得出了这条经验法则:即飞机的跨声速阻力是整架飞机截面纵向展开的函数。”

  这条规律,就是后来为人们所熟知的,大名鼎鼎的“跨声速面积律”法则,听起来它的描述相当专业,但简单解释的话,就是说飞机的阻力大小,与飞机正向的迎风截面积大小直接相关,飞机的迎风截面积越小,阻力就越小。布泽曼博士很快便意识到了惠特科姆的“跨声速面积律”理论将对飞机突破声速限制产生重大的影响,他称赞惠特科姆道:“他捧出了一个光芒四射的思想。”

  根据惠特科姆的理论所制造出的飞机样机很快便被制造出来,它们就是F-102和F-105战斗机。它们都毫无例外的采用了跨声速面积律的蜂腰设计,虽然后掠角没有明显增大,发动机推力也没有增加,但由于跨声速阻力的显著降低,F-102轻松突破了F-100所无法逾越的跨声速区域,其最大平飞速度达到了1.25马赫,成为名副其实的超声速战斗机。随后,世界上其他国家的一大批新机型也纷纷效法,可以毫不夸张地说,惠特科姆凭借一己之力,将战斗机带入了超声速时代。

  飞机在高速飞行时,空气流经飞机表面,被飞机外形挤压,产生阻力。如果飞机的横截面积是逐渐增加的,空气阻力也是逐渐增加的。

歼-10战斗机使用的“蜂腰”设计是基于什么原理,有何好处?

  该发现指出,飞机在跨越音速时的零升阻力与飞机横截面积有关。如果飞机横截面积逐渐变化,阻力就会不会剧烈增加。在飞机坐跨音速飞行时(M0.75~M1.2),飞机阻力急剧增加。原因之一就是增加了机翼的横截面积,导致飞机横截面积急剧增加。由于飞机机翼使得飞机中部的截面积迅速增加,导致阻力迅速增加。为了降低阻力,把飞机中部机身的横截面积减小,就能降低跨音速阻力。如果减小机身面积,让飞机的截面积圆滑增加和减少,跨音速阻力就会大大降低。这个横截面积-阻力关系就是面积率。这样的设计结果,就形成了蜂腰状机身,又叫可乐瓶设计。

  美国的F-102在试飞时,跨音速阻力极大,使得F-102不能超过音速。按照面积率修改设计后,试飞的第二天就顺利跨过因速。之后采用面积率设计机身的飞机很多,如美国F-5,F-105。

  歼十战斗机由于三角翼面积比较大,面积最大的地方在尾部,采用蜂腰设计需要对尾部进行修形,不能大幅度降低跨音速阻力。歼10的所谓蜂腰不是面积率,主要是翼身融合体形成的接缝线。翼身融合体增加了机身截面积,看三面图机身宽度没有变化,机尾也没有进行外形修正。

歼-10战斗机使用的“蜂腰”设计是基于什么原理,有何好处?

  提到战机的“蜂腰设计”则不得不提惠特科姆,惠特科姆正彼时在主持美国跨音速风洞实验。此时正在设计F-102战机遇到的一个最大的困难是当战机速度接近音速时,由于机身遇到的阻力过大,结果造成机身剧烈的震动,飞机难以控制,十分危险。经过反复的研究惠特科姆认为要想改变这一状况就必须对机身进行“蜂腰设计”。这一设计思路此后被实验证明是十分有效的,随即在F-102基础上改进的F-106飞出了1959年2454公里/小时的飞行记录。

歼-10战斗机使用的“蜂腰”设计是基于什么原理,有何好处?

  随即“蜂腰设计”被广泛用于超音速战机的设计上,各国纷纷进入了超音速战机时代,所以我们看到此后的都采用了蜂腰机身的设计。我们的歼-10自然也不例外。至于原理和好处主要还是要从接近音速这个零界状态说起,在战机即将突破音速时,战机自身的速度不断提高,开始挤压前方的空气,当接近音速时,这时前方被挤压的空气就会变成巨大的阻力(波阻),此时传统设计的战机机身呈圆柱形的柱状形态,此时如果机身中部截面面积变小(蜂腰状),那么机身所面临的压力波就得到释放和缓解,这样大大有利于战机突破音速。

歼-10战斗机使用的“蜂腰”设计是基于什么原理,有何好处?

  我国歼-10在设计时同样使用了“蜂腰”理论,对于歼-10这样的三代机而言,必须是超音速的战机,所蜂腰理论还是十分重要的,当然在美帝的四代机F-35我们看到,并没有使用蜂腰理论,主要是其机身臃肿,无法瘦身。凭借着其强大的发动机,强行靠动力把战机推到超音速。

歼-10战斗机使用的“蜂腰”设计是基于什么原理,有何好处?

  飞机是在大气层内飞行的,空气对飞机既产生升力也有阻力,在0。8倍音速以下的亚音速飞行时,飞机前方空气形成压力波是跑在飞机前面的,相当于是推开飞机前方的空气。

  但是在音速飞行时,飞机前方的压力波跟不上飞机的速度,就和飞机前方的空气叠加在一起,形成了一堵“墙”,空气阻力急剧增加,是飞机亚音速飞行时的三倍,这就是所谓的“音障”。

歼-10战斗机使用的“蜂腰”设计是基于什么原理,有何好处?

  但是随着飞机速度的提高,在1.2倍音速以上时,飞机就跑到压力波的前面去了,超音速飞行的阻力增加速率,反而是随着速度的增加而下降,速度增加一倍,阻力只曾加30%-50%。

歼-10战斗机使用的“蜂腰”设计是基于什么原理,有何好处?

  说白了就是,随着飞机速度的增加,飞机对前方空气压缩形成的压力波不断被压紧,在音速的时候被压在一起,阻力急剧增加,但超过音速的时候,飞机又把压力波甩在身后,阻力反而减小。

歼-10战斗机使用的“蜂腰”设计是基于什么原理,有何好处?

  所以飞机想超音速飞行,对减小“波阻”至关重要,而飞机减阻对飞机气动布局设计的要求很高,尤其是对超音速翼型与面积率修行的“蜂腰”设计。

  现代超音速战斗机的气动外形设计,根据跨音速飞行的阻力特点,需要采取很多的……嗯?怎么说呢?设计吧!

  首先第一条就是采用了跨音速面积率,既安装机翼部位的机身截面适当缩小,形成“蜂腰”机身,其次还有机头削尖、增加长细比、采用三角翼、薄机翼等等(详细的就太复杂了,这里就不讲了)

歼-10战斗机使用的“蜂腰”设计是基于什么原理,有何好处?

歼-10战斗机使用的“蜂腰”设计是基于什么原理,有何好处?

  “蜂腰”结构设计是美国著名空气动力学家惠特科姆创造的。惠特科姆出生于美国的伊利诺斯州,毕业于马萨诸塞州的伍斯特理工学院,后来到兰利研究中心工作,负责利用跨音速风洞进行各种试验。由于工作关系,惠特科姆经常观摩、研究不同气动布局飞机模型在风洞中的实验数据。他发现,采用标准圆柱形机身的飞机,当飞行速度接近音速时,整体设计显现出不合理性——翼身结合区截面积太大,导致气流向外扩张,增加了阻力。惠特科姆提出的解决方案是,收腰设计,也就是某些地方瘦下去,让机身变成了两头粗中间凹的“可口可乐”瓶子的形状,后来被称为“蜂腰”结构。

歼-10战斗机使用的“蜂腰”设计是基于什么原理,有何好处?

  惠特科姆的“蜂腰”设计,挽救了架F-102“三角剑”战斗机项目。1953年首次试飞的F-102“三角剑”战斗机,出现了在接近音速时阻力增加、机体,猛烈振动的情况。设计师马上根据惠特科姆的“蜂腰”设计,为F-102改出了一段小蛮腰。正式定型的F-102飞出了12倍音速的好成绩。

歼-10战斗机使用的“蜂腰”设计是基于什么原理,有何好处?

  后续,科研人员又在F-102的基础上进行完善,发展出F-106“三角标枪”战斗机。由于高空高速性能突出,大部分F-106“三角标枪”被部署在美国本土,用于防范苏联空军远程轰炸机,也有少量F-106被部署到西德、冰岛和韩国。

歼-10战斗机使用的“蜂腰”设计是基于什么原理,有何好处?

  后来,各国设计师都开始应用“蜂腰”结构。比如,瑞典的JAS-39“鹰狮”战斗机,机身细长,有蜂腰设计,提升了接近音速时的飞行品质和稳定性。另外,中国的歼-10战斗机,机身中段也采用了明显的“蜂腰”设计。关于采用“蜂腰”设计的歼-10战斗机,还曾引发中外军迷的论战。《汉和防务评论》杂志的主编平可夫曾妄言,歼-10采用了基于面积律的“蜂腰”设计,只能算是“二代机”。平可夫还声称,歼-10模仿了以色列“幼师”战斗机的设计。当然了,这些黑歼-10的言论,遭到了中国军迷的有理有据的反驳!

  歼-10战机是我国自主研发制造的空军第三代超音速战机,按国际称为三代半,后续又有改进型歼-10A歼10B。随着现代化航空技术的进步,新的飞行动力理论的应用,飞机机身的外形呈现千姿百态,变化多端,战斗机、轰炸机、运输机、还有先进的隐形战斗机轰炸机等机身设计也是充分依据功能用途而选用的外形。歼-10战斗机是超音速战斗机根据跨音速飞行阻力特点,首先釆用了跨音速面积率,即安装机翼部分的机身截面适当缩小,就形成了蜂腰机身了,此外机头也做的很尖,机翼安装在后部且宽大变于挂弹。这种“蜂腰”设计机身飞行进风阻力小无论是爬升超音加速轻松自如。歼-10战机把机身和机翼融为一体的翼身融和体,这就是它的好处和靓点。当然歼-10只是第三代战机,我们的战斗机也是不断更新换代,歼-15,歼-20等就是最好证明。

  

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