飞机的设计原理是现代空气动力学,即利用机翼上下表面的空气流速不同而产生的压力差,从而获得上升的动力。

那为什么不同种类的飞机,其样貌形态都不尽相同呢?其实,这些造型虽是人类主动设计的杰作,但实质却受制于空气阻力的被动结果。设计师以不断完善飞机的机翼、机身等部件,从而使飞机在不同的应用场景中获得更好的稳定性与操纵性。这个过程中有个专业的称谓,叫空气动力布局。

今天小编就带大家一起了解下飞机中几种常见的空气动力布局。

使用最为广泛的 | 常规布局

空气动力学最强的飞机(科普飞机常见的空气动力布局)(1)

自从莱特兄弟发明第一架飞机以来,飞机设计师们通常将飞机的水平尾翼和垂直尾翼都放在机翼后面的飞机尾部。这种布局一直沿用到现在,也是现代飞机最经常采用的气动布局,因此称之为“常规布局”。世界上绝大多数客运、大型飞机都属于这种气动布局,例如波音系列、欧洲的空中客车系列,我国的运-7、ARJ21…

常规布局是航空发展史上最早广泛使用的布局,理论研究已经非常完善,生产技术成熟而又稳定,与其他气动布局相比各项性能比较均衡,所以目前无论是民用飞机还是军用飞机绝大多数使用这种气动布局。

高速飞行优异性能 | 无尾布局

空气动力学最强的飞机(科普飞机常见的空气动力布局)(2)

无平尾、无垂尾或飞翼布局也可以统称为无尾布局。其基本优点为超音速阻力小和飞机重量较轻,但其起降性能及其它一些性能不佳。在常规布局中,水平尾翼充当一个“向下压”的角色,会损失掉一部分升力。而无尾布局由于没有“尾巴”,大大减少了空气阻力,所以其特点是阻力小,结构强度大,在高速飞行时性能优异。

此外,无尾布局机翼承载重量更合理,和机身链接结构更稳固,这就简化了机身结构,再加上去掉了水平尾翼和相关的操控系统后,机身重量可以大大降低。随着隐身成为现代军用飞机的主要要求之一以及新一代战斗机对超音速巡航能力的要求,使得无尾——特别是无垂尾形式的战斗机方案受到越来越多的重视。

速度与稳定兼备 | 变后掠翼布局

空气动力学最强的飞机(科普飞机常见的空气动力布局)(3)

机翼后掠角在飞行中可以改变的机翼称之为变后掠翼。

变后掠翼布局的主翼后掠角度可以改变,有点类似于飞鸟在空中的姿态,低速飞行时张开翅膀,减小后掠角,高速飞行收起翅膀,加大后掠角。

空气动力学最强的飞机(科普飞机常见的空气动力布局)(4)

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变后掠翼布局较好的兼顾了飞机分别在高速和低速状态下对气动外形的要求,在六七十年代曾得到广泛应用,但由于变后掠结构所带来的结构复杂性、结构重量的激增,再加上其它一些更为简单有效的协调飞机高低速之间矛盾措施的使用,在新发展的飞机中实际上已经很少有采用这种布局形式的例子了。

无尾布局加强版 | 鸭式气动布局

空气动力学最强的飞机(科普飞机常见的空气动力布局)(5)

座舱两侧有两个较小的三角翼(鸭翼),后边是一个大的三角翼称之为鸭式气动布局。

早在二战前,前苏联已经发现如果将水平尾翼移到主翼之前的机头两侧,就可以用较小的翼面来达到同样的操纵效能。早期的鸭式布局飞起来像一只鸭子,“鸭式布局”由此得名。

鸭翼分为两种——

一种是不能操纵的,即鸭翼是固定的,性能和风险都较低,其功能是当飞机处在大迎角状态时加强机翼的前缘涡流,改善飞机大迎角状态的性能,也有利于飞机的短距起降。

另一种是可操纵的,即鸭翼的角度是可调整的。鸭翼处于飞机重心之前,鸭式飞机起飞时,需要增大机翼迎角和升力,鸭翼出现正偏转,产生正升力,用抬头力矩加以平衡,使全机升力增大。在降落时,鸭翼偏转一个很大的负角,起减速板的作用。可操纵鸭翼的战机有中国的歼-10、 欧洲的EF-2000、法国的“阵风”瑞典的JAS-39等。

空气动力学最强的飞机(科普飞机常见的空气动力布局)(6)

机动性和操控性并存 | 三翼面布局

空气动力学最强的飞机(科普飞机常见的空气动力布局)(7)

三翼面布局是在正常式布局的基础上增加一个水平前翼而构成(即前翼 机翼 平尾)。

三翼面的采用使得飞机机动性得到提高,而且宜于实现直接力控制达到对飞行轨迹的精确控制,同时使飞机在载荷分配上也更趋合理。俄罗斯的苏-34、苏-37和苏-47都采用这种布局。

三翼面布局的前翼所起的作用与鸭式布局的前翼相同,使飞机跨音速和超音速飞行时的机动性较好。但由于在飞机上增加了鸭翼,阻力和重量自然也会增大,电传操纵系统也会复杂一些。不过这种布局对改进常规布局战机的机动性有较好的效果。

总之,机翼升力产生的原因比较复杂,很少有一种气动布局能够满足并适应所有飞行需求。但有一点可以确定,飞机升力主要来源于机翼上下表面气流的速度差导致的气压差,升力的大小与气流运动的速度、空气的密度、机翼的面积和机翼角度有关。同时,飞机飞行时还会遇到摩擦力、压差阻力、波阻力、诱导阻力、干扰阻力等。因此,不管何种气动布局,增加升力、推力和安全性,减少各种阻力是所有飞机气动布局的总体研究和发展趋势。

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