关于飞机前掠翼的发展及分析

张翰

北京市海淀实验中学

关于飞机前掠翼的发展及分析

张翰

北京市海淀实验中学

在高新科技引领时代发展的今天，飞机制造领域的发展很大程度上就能代表国家的国际地位。在当前情况下，后掠翼飞机是各个国家空军装备的主要飞行器。后掠翼飞机在高空高速有着比较好的机动性能，但是前掠翼可以使飞机的气动性能大大提高，使得飞机在飞行时机动性能成倍地提高。由于技术和材料的制约，使得前掠翼飞机不能够很好地推广和应用。前掠翼飞机的流行和推广必然离不开材料技术的高速发展，更多性能更为优异的材料将为前掠翼技术的发展奠定基础。

气动弹性发散；前掠翼飞机；航空航天材料

引言

上个世纪的研究人员自从认识到了前掠翼的一些缺点之后，并没有找到合适的方法解决这些问题，导致前掠翼飞机没能够正常地继续发展。前掠翼飞机研究的停滞不仅仅是这种翼型本身的缺点，更可能的是材料无法达到让前掠翼飞机能够正常飞行的要求。但是科技的进步带来了全新的材料，各式性能更好的材料让前掠翼飞机的发展重获新生，也意味着其作为一种重要的飞机翼型在各领域都将得到更为广泛的应用。

1 前掠翼的认知与发展

前掠翼和后掠翼都是两种相对的概念，是凭借飞机的翼型来进行分类而得出的。后掠翼飞机的定义是，掠角为钝角，也即飞机的前缘和后缘均向后掠，由此称之为后掠翼飞机。飞机前掠翼技术最早发源于第二次世界大战，当时的德国人设计出了世界上第一款前掠翼飞机。但是前掠翼飞机由于其机翼结构的原因，在气动载荷的作用下，会导致其机翼迎角增大，进而进一步增加其所受的气动载荷。上世纪70年代，复合材料的出现为前掠翼技术带来了转机，其结构上的弯扭变形耦合效应成功克服了前掠翼飞机的“气动弹性发散”的问题，也让前掠翼技术重新回到了航空界的视线之中。

1.1 前掠翼技术的优点

（1）结构方面：前掠翼的机翼结构可以更好地连接机身与机翼部分，使得飞机所承受的压力分配更加合理。

（2）机动方面，前掠翼飞机的机动性非常优秀，尤其是在在亚音速飞行时，前掠翼飞机的气动性能表现极为优异。

（3）起降方面，前掠翼飞机和相同机翼面积的后掠翼飞机相比，升力更大，载重量更高，增加飞机操纵性能。

（4）控制方面，采用前掠翼结构的飞机，操纵性能更强，飞机的空气动力效能更加优异，失速速度明显下降，飞机的安全性能也因此得以大幅度提升。

2 前掠翼设想

2.1 前掠翼的结构与材料

前掠翼的主要缺点就是气动弹性发散的问题，也就是说翼尖会在飞行过程中发生剧烈地振颤。而又因为飞机的重量不能够过大。这就需要让机翼能够承受足够大的力。

可以将机翼设计成由多个模块组合而成的一个整体，并且这些模块可以根据飞行状态并利用机翼刚性分布计算机计算法进行系统地组合，使得机翼各部分的刚度能够刚好满足飞行的条件，而不必使机翼过多地增加重量。

2.2 前掠翼的连接

因为前掠翼飞机存在着气动弹性发散，这就使得机翼在翼梢和翼根受到的力相差极大，而想要使得各部分都能承担住那份力，机翼之间的连接结构就必须做到稳定，承受的变形力要强。为了将机翼的两部分柔性的连接在一起，就需要一种类似于Z型启动器的连接器。这种连接器瘦小，但是中间的长度可以自由伸缩，而两端的长度较短，并且在两端都装有小轴承，这就能使得这个连接器能够自由转动。为了保证在飞行时的稳定性，在飞行的时候则必须将这个连接器固定，需要在轴承外圈增加一条足够插入一条固定轴承的铁片的缝隙，所以轴承需要经过特殊处理，并且能使连接器的杠收缩到足够的尺寸。

2.3 前掠翼飞机的外形

另一种设想是将鸭翼设计成可变的即可变鸭翼，这种鸭翼可伸长并且可以旋转。这样可以实现飞机在前掠翼和后掠翼形态直接随意切换，鸭翼在展开时与前掠翼的机翼相衔接，使得其整体成为飞机的后掠翼飞机，而收回时则变成了前掠翼飞机的鸭翼。这种鸭翼也可用上述的连接器进行连接，但只需要在隐藏在机体内的部分安装，这样就能使连接器的杠能够隐藏在机体内部，否则将会影响飞行。为了能使鸭翼能自由伸缩，则必须在机体中留出一条缝。这时连接器的杠就能够有用了，在鸭翼处于收缩状态时，用杠来填补缝隙，使飞机形成了一个整体，没有多余。

但是飞机存在是没有足够的空间安装两块可变鸭翼，考虑通过两块鸭翼重叠放置来解决飞机空间不足的问题。这样的话，就能做到将这两个鸭翼做成不一样性质的。一边的鸭翼就是做成只能够进行伸缩，而另外一边，则需要做成上下两片形成一个可以自动扩张和收拢的套子。或者运用多层叠加的方式将可变鸭翼设计成三段或更多段，这就需要对每层都进行设计。与前掠翼衔接的那一段不必进行特殊的设计，因为这一段的中间是空的，这只要能做到将在外的两片向中间移动合成一片并能够向前移动。而中间的那些层则需要形成上述可以自动扩张和收拢的套子，重复第一段的操作就能够使各层能够很好的衔接。而对于最后一段则是固定不动的，只需要做到那个可以收拢和扩张的套子，这样就能是鸭翼能够很好的运行。

3 总结与展望

现在前掠翼的发展还处在低迷状态，所有的设想也都只是在实验阶段或者只是猜想阶段。但是随着时代的发展，技术的进步，前掠翼飞机又慢慢地进入了人们的视野之中。技术的日新月异，将会造就前掠翼的崛起，前掠翼作为机翼中的佼佼者，能够带领人们走入一个全新的飞机时代。前掠翼相对于后掠翼有着更好的稳定性，能够飞行的范围更宽，能够有更好的机动性能，或许前掠翼会成为飞机设计的重点，不再被忽视。

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