前掠翼簡介及一些想像2001.4.26再版

by 獨孤楊曼


 

                                

                                                                                        

       

   這是從假想武器區''J-21戰機''內文中結選出來的,所以有多處提及假想武

器J-21。                    

   

    前掠翼設計,這是二戰時德國人的構想,單單就機翼而言,前掠根後掠的特性幾乎一樣,但前掠翼可以將氣流導引到機身內側,而飛機失速通常是從氣流末端開始,因此前掠翼飛機會從機身內側開始失速,而機翼兩端還可正常控制,因為是兩端可以控制所以其控制力矩叫後掠是飛機大,這究事前掠翼飛機不容易失速的原因,再加上理論上前掠翼具備穿音速阻力小,機動力高等優點,因此前掠翼曾經是航空界的一顆星,美國以F-5修改成X-29實驗機,俄羅斯中央流體力學研究院也進行了前掠翼的理論研究,後來催生出蘇或設計局的S -37。但是,美國在X-29實驗後,放棄了前掠翼戰機,因為前掠翼的匿蹤能力不好,當時製造技術不足以量產前掠翼,以及前掠翼高速阻力突然增大,並且在高速時生利效果變差•••等幾大原因。在製造技術方面,前掠翼的製造需要用到複合材料一體成形技術,美國在與日本合作生產F-2後從日本那裡學到這項技術,所以說因為技術問題不用前掠翼也是個不算小的因素。

    

     至於前掠翼高速阻力突增的部分,嚴格說起來牽涉到很複雜的空氣動力學,要用很多公式才能正確知道許多數據之間的關係,這些到許多bbs軍事版的精華區有時會看到,在百科全書中也可以找到。在這裡,我提供一個用簡易力學以及能量手衡的觀點來為這個現象〝定性〞,這個方法除了可以解釋前掠翼的現象,還可以解釋後掠角大小與滑翔性能、飛行阻力的關係:首先,前掠議會將氣流導引到機身內側,可想而知,這股末端氣流會與機身產生交互作用,因此不像後掠翼的氣流班單純的排放出去,從風洞實驗結果看出,這種交互作用讓該氣流在機背產生很強大的渦流,因此,在其他條件接近的情況下,前掠翼飛機比後掠式飛機具有更大的升力,從能量的觀點來看,這股渦流能在必要時可以迅速讓飛機升高或做動作••等等,可以當作是一種〝位能〞,所以說,單單考慮掠角時,前掠翼比後掠翼更具機動能力。但是,也因此有大阻力的問題,因為在空氣裡通常阻力與速度的平方成正比,F=k(v平方),其中k取決於物體形狀、流體性質等等。同樣速度下,對流體的擾動越大,阻力就越大,想像一個速度v的冰箱以及一個速度v的平行版哪個阻力大就能理解這個現象,因此,前掠翼飛機可能會產生比較大的k值,因此速度越大,阻力就越顯著。從能量的觀點來看,那股渦流在機背產生摩擦也會產生很多熱量散逸出去,由於越快阻力越大因此散失能量也越多,所以我們也能想像高速時前掠翼飛機將更耗油。從以上因素看來,前掠翼阻力大的原因,除了是前掠翼產生的震波阻力較大外,就是產生在機翼根部的種種現象。而事實上,美國事後分析X-29時就提出,由於X-29製造技術的問題,它的翼根突然變厚,因此產生一些不良影響,導致阻力突增。而X-29本身是一架由F-5改來的實驗機,F-5本身又只是一架低速飛機,因此,美國用X-29所做出的一些前掠翼特性有許多是可以解決的。 俄國人或許做到了這點,1997年S-37公佈以來進行的幾次試飛中,就證實了S-37的高速性能接近他們的理論預計。

    這也是因為在結構上,比較晚問世的S-37也比X-29先進許多,前者拜先進的材料科技之賜,再理論上以及實驗上據說都已經克服前掠翼在氣動力上的缺點。如何改善呢?由於前掠翼再飛行時空氣動力會有扭曲機翼的效應,因此在複合材料尚未問世之前,前掠翼飛機一進入轉彎狀態就容易折斷機翼。而層層交織的纖維製成的複合材料足以承受這種扭曲力,所以才有X-29的誕生,但也僅僅是避免折斷,對於扭曲機翼而造成的結構問題以及氣動效應(專業名詞叫〝離散效應〞)卻無法解決。但在S-37中,用了所謂的〝柔性材料〞,採用這種材料製造的前掠翼,會根據飛行狀態改變自己的彎曲度,以達到適合飛行的姿態,而不會有扭曲現象。這樣一方面在結構上更沒問題,另一方面因為機翼不會扭曲所以也不會有攻角變大所造成的一些不良效應。

           基於上述種種原因,我才在J-21中大膽用了那些想像中解決高低速問題的方法。