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戰鬥機為什麽機翼慢慢轉移到了後面?

2014-10-08科學

先說結論:

因為前置發動機不流行了。


飛機在空中飛行時僅受到4個力作用:重力、升力、推力、阻力,飛機要想穩定飛行,就必須四力平衡,不僅其大小平衡,還必須力矩平衡。

做受力分析時,通常取飛機質心作為原點,為簡化起見,設定飛機質心與重心同心。由於此處僅做定性討論,僅考慮在飛機縱剖面的力矩平衡,簡化描述為產生 擡頭力矩或低頭力矩。

若發動機安裝在機身,則推力透過飛機中軸線,大致透過飛機質心,其力矩略等於0;若采用翼吊發動機,則推力軸線低於飛機中軸線,產生 輕微的擡頭力矩

阻力中,對單翼機,同樣透過飛機質心,力矩略等於0;對多翼機,通常采用上下對稱機翼,則其合力矩為0; 不產生力矩。

因此,飛機設計時應盡可能使升力和重力產生的合力矩為0。再進一步進行簡化,飛機顯然在任何狀態下都需要保持平衡,選擇無燃油無負載狀態下進行分析。

對於大部份飛機,空機狀態下,機身重量占40%-50%,大致沿縱軸平均分布,其合力矩為0。而大翼和發動機重量約占20-30%。

必須註意到,大翼產生的升力,一定大於其重力,且二力大致同軸,因此飛機在縱軸上的力矩平衡,最終可以簡化為 飛機升力與發動機重力,在飛機縱剖面的力矩平衡。

對發動機前置的飛機,其發動機重量在飛機質心之前,產生低頭力矩,故升力必須產生擡頭力矩以平衡。由於升力主要來源為機翼,為了保證升力中心在飛機質心之前,則飛機機翼中心必須在飛機質心之前,自然就表現為機翼前置。

對於現代戰機,發動機普遍采取後置,為了平衡力矩,機翼中心應在飛機質心之後,但由於以下兩個因素,機翼不再需要像早期飛機那樣存在明顯的後置:

1. 現代戰機必須裝備大量的電子器材,為避開發動機帶來的高溫和震動,他們都必須盡可能靠機頭安裝,這些器材在某種意義上已經可以視為結構死重,在一定程度上平衡了發動機重力。

2. 現代戰機為加強機動性,其尾翼面積較大以提供更大的氣動力機動,這樣在正常飛行時也會帶來較大的升力,且由於其力臂較大,可以產生較大的平衡力矩。

因此現代飛機的機翼普遍為中置偏後。

這一點,可以看看現代輕型、超輕型飛機的設計,他們仍然在采用前置發動機設計,機翼也就依然處於非常靠前的位置。

至於靜穩定性和靜不穩定性的影響,這個是指飛機姿態在受到外界微小擾動後發生變化,從而導致氣動力大小發生變化,此時,產生的附加作用力會使飛機恢復原姿態,還是會進一步擴大姿態變化。

由於氣動中心不可能與質心完全重合,其間距,對於一般飛機來說,在滿載空載狀態下,就可以變化多達5-10%的機身長度,所以選擇靜穩定性設計還是不穩定設計,個人認為不是機翼位置變化的主要原因。