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战斗机为什么机翼慢慢转移到了后面?

2014-10-08科学

先说结论:

因为前置发动机不流行了。


飞机在空中飞行时仅受到4个力作用:重力、升力、推力、阻力,飞机要想稳定飞行,就必须四力平衡,不仅其大小平衡,还必须力矩平衡。

做受力分析时,通常取飞机质心作为原点,为简化起见,设定飞机质心与重心同心。由于此处仅做定性讨论,仅考虑在飞机纵剖面的力矩平衡,简化描述为产生 抬头力矩或低头力矩。

若发动机安装在机身,则推力通过飞机中轴线,大致通过飞机质心,其力矩略等于0;若采用翼吊发动机,则推力轴线低于飞机中轴线,产生 轻微的抬头力矩

阻力中,对单翼机,同样通过飞机质心,力矩略等于0;对多翼机,通常采用上下对称机翼,则其合力矩为0; 不产生力矩。

因此,飞机设计时应尽可能使升力和重力产生的合力矩为0。再进一步进行简化,飞机显然在任何状态下都需要保持平衡,选择无燃油无负载状态下进行分析。

对于大部分飞机,空机状态下,机身重量占40%-50%,大致沿纵轴平均分布,其合力矩为0。而大翼和发动机重量约占20-30%。

必须注意到,大翼产生的升力,一定大于其重力,且二力大致同轴,因此飞机在纵轴上的力矩平衡,最终可以简化为 飞机升力与发动机重力,在飞机纵剖面的力矩平衡。

对发动机前置的飞机,其发动机重量在飞机质心之前,产生低头力矩,故升力必须产生抬头力矩以平衡。由于升力主要来源为机翼,为了保证升力中心在飞机质心之前,则飞机机翼中心必须在飞机质心之前,自然就表现为机翼前置。

对于现代战机,发动机普遍采取后置,为了平衡力矩,机翼中心应在飞机质心之后,但由于以下两个因素,机翼不再需要像早期飞机那样存在明显的后置:

1. 现代战机必须装备大量的电子设备,为避开发动机带来的高温和震动,他们都必须尽可能靠机头安装,这些设备在某种意义上已经可以视为结构死重,在一定程度上平衡了发动机重力。

2. 现代战机为加强机动性,其尾翼面积较大以提供更大的气动力机动,这样在正常飞行时也会带来较大的升力,且由于其力臂较大,可以产生较大的平衡力矩。

因此现代飞机的机翼普遍为中置偏后。

这一点,可以看看现代轻型、超轻型飞机的设计,他们仍然在采用前置发动机设计,机翼也就依然处于非常靠前的位置。

至于静稳定性和静不稳定性的影响,这个是指飞机姿态在受到外界微小扰动后发生变化,从而导致气动力大小发生变化,此时,产生的附加作用力会使飞机恢复原姿态,还是会进一步扩大姿态变化。

由于气动中心不可能与质心完全重合,其间距,对于一般飞机来说,在满载空载状态下,就可以变化多达5-10%的机身长度,所以选择静稳定性设计还是不稳定设计,个人认为不是机翼位置变化的主要原因。