一架飞机在高空正常飞(fēi)行的时候(hòu),机翼看(kàn)起来好像(xiàng)是(shì)一个整体。其实不然,机(jī)翼前缘、后缘都装有长短、宽度不同的翼片,有的可向下偏转,有的可向前伸出,有的可向后滑退,可谓五花八门。由于这些翼片是(shì)机翼的附(fù)属物,并(bìng)且可以偏折(shé),正像我们穿的衣服下(xià)襟随风摆(bǎi)动一样,因此科学家给这些翼片起了一个十分形(xíng)象的名(míng)称———襟翼。平时飞机停在机场(chǎng)上或在高空飞行(háng)时,襟翼都收拢在机翼前缘或后缘上(shàng),一旦飞机进(jìn)入起飞或着(zhe)陆阶段,它们的原形就显(xiǎn)露了出来(lái)。
飞机为(wéi)什么要装襟翼呢?
1、襟翼的奥秘在于提高升力
机翼的作用就是产生足够的升力使飞机能飞上天空。如果(guǒ)机翼(yì)是一个整体(tǐ)的话,那(nà)么在机翼面积、翼型、展弦比确定(dìng)的情(qíng)况下,它的最大升力也就是确定(dìng)不变的了。如果飞机(jī)的全(quán)部重量(liàng)是50吨,机翼必须产(chǎn)生(shēng)490千牛以(yǐ)上的(de)升(shēng)力才能飞起来。我们知道(dào),机翼面(miàn)积越(yuè)大,升力越(yuè)大;速度越(yuè)大,升力也越大。换句话说就是:在升力一定的情况下,机翼面积越大,起飞速度(dù)可(kě)以越小;起飞速度越大,机翼面积可以越小。因此,为了把这(zhè)50吨的(de)飞机弄上(shàng)天(tiān),我们可以采取这(zhè)样两个办法:一是(shì)选用面积较小的机(jī)翼,通过加大起飞速度使升(shēng)力超过(guò)490千牛;二(èr)是(shì)使起飞(fēi)速度(dù)保持在较低的值上,通过采用(yòng)大面积机翼以产生490千牛(niú)以(yǐ)上的升力。
这两(liǎng)个办法行不行呢?第(dì)一个办法机翼面积(jī)较小(xiǎo),飞机的(de)结构重(chóng)量就较轻,这是优(yōu)点,但起(qǐ)飞速度(dù)大是很(hěn)不利的,一方(fāng)面要求机场跑道(dào)很长,这很不(bú)合算,对舰载(zǎi)飞(fēi)机更是不利(lì);另一方面,高滑(huá)跑速(sù)度对安全的威胁极大。第二(èr)个方(fāng)法起飞速度低,有利于缩短(duǎn)滑跑距离,但当飞(fēi)机起飞后速度增加,大面积机翼便成(chéng)了(le)累赘,不但重(chóng)量大(dà)使载(zǎi)重量大大减(jiǎn)少,而且会使阻力剧增,飞机的耗油量因(yīn)此显(xiǎn)著增加。这种低速时升力小、高速(sù)时阻(zǔ)力大的问题(tí)称为飞(fēi)机的高低速矛(máo)盾。怎样解决这一难题呢?这就要靠襟(jīn)翼来实现。
襟翼(yì)的一(yī)个主要作用是协调这个矛(máo)盾,既不需要很(hěn)大、很重的机(jī)翼,也能(néng)在较低的起飞着陆速度下产生足够的升(shēng)力(lì),使载(zǎi)重、速度、阻力和油(yóu)耗达(dá)到综(zōng)合性的最佳化。用(yòng)整体一块的方(fāng)式设计机翼不能同(tóng)时满足大载重量、低(dī)起(qǐ)飞和着陆速度、低阻力(lì)和低耗油率的要求。由于襟翼(yì)具体作用是大大提(tí)高飞机(jī)起(qǐ)飞和着(zhe)陆等低(dī)速阶段的升力,因而统称(chēng)增升装置。
襟翼为(wéi)什么能增加升力呢(ne)?在速度一定的情况下,提高升力的(de)办法(fǎ)主要有4种:一是改变机翼剖面形(xíng)状,增(zēng)加翼(yì)型弯度;二是增加机(jī)翼面积;三是尽可(kě)能(néng)保持层流(liú)流动(dòng);四是在环绕(rào)机翼(yì)的(de)气流中,增加一股喷气(qì)气流。襟翼就是通过改变翼型弯度、增加机(jī)翼面(miàn)积、保持(chí)层流流动而增加升力的。
2、飞机襟翼样式众多
襟翼(yì)概念出现得(dé)很早。第一次世界大战前,由于飞机速度提高,要求飞机在低速时也能产生足够(gòu)的升(shēng)力,于是有人开(kāi)始了(le)最(zuì)简单的后缘襟翼(yì)的试验探(tàn)索。
为(wéi)什么飞机要装襟(jīn)翼?
简单襟(jīn)翼就是机翼后缘的一(yī)部分。它可以弯曲,这样就会改变机翼弯度,提高升力。不(bú)久,又(yòu)出(chū)现了开裂式襟翼(yì)。当(dāng)它放下时,一方面可使翼型变弯(wān),一方(fāng)面会在(zài)机翼后缘形成低(dī)压,两方面(miàn)的效果都是增加了升力。通常,开裂式襟翼(yì)可(kě)使升力系数提高75%~85%。同时,开裂(liè)式襟翼还能增加阻力,对飞(fēi)机安全、缓慢地(dì)着陆有利。
20世纪20年代,英国著名设计师汉德(dé)莱·佩奇和德国空气动力学家拉赫曼(màn)发明了开缝襟翼。它是一条或(huò)几条附着在机翼后(hòu)缘(yuán)的可动翼(yì)片,平时与(yǔ)机(jī)翼(yì)合为一体,飞机起飞或着(zhe)陆(lù)时(shí)放(fàng)下。襟翼(yì)片能够增加(jiā)机(jī)翼(yì)的(de)面积,改变机翼(yì)弯度,同时还会形成一条或几(jǐ)条缝隙。增加(jiā)面(miàn)积可以提高升力,形成(chéng)缝隙可使(shǐ)下表面的气(qì)流经缝隙流向上表(biǎo)面,使上(shàng)表面的(de)气流(liú)速(sù)度提高,可(kě)较大范围保持层流(liú),也可使升力增加,并能减少失速现象的发生。开缝襟翼是襟翼中十分重要的一种。它也可以装在飞机前缘上,通常都是一条。目前大型飞机特(tè)别是客机都安装了双缝(féng)或三缝襟翼,可提高升力系数85%~95%,效果十(shí)分显(xiǎn)著。
还有两种襟(jīn)翼也很常见,一种是富勒襟(jīn)翼,一种是克鲁格襟翼。
富勒襟翼是在(zài)机翼后缘安装的活(huó)动翼面(miàn),平时(shí)紧贴在机(jī)翼(yì)下表面上(shàng)。使用(yòng)时,襟(jīn)翼沿(yán)下翼面安装的滑轨后(hòu)退,同时下偏。使用富(fù)勒襟翼(yì)可以增加(jiā)翼剖(pōu)面的弯度(dù),同时能(néng)大大增加机(jī)翼面积,增升效果非常明显,升力系数(shù)可提高85%~95%,个别大(dà)面积富(fù)勒襟翼的(de)升力系数(shù)可提(tí)高110%~140%。这(zhè)种襟翼(yì)结构较复杂(zá),多在大、中型飞机上采用,可大大改(gǎi)善(shàn)起降性能。
克(kè)鲁格襟翼位于机翼前缘(yuán)。它的外形(xíng)相当于机翼前缘的一部分。使用时利用液压作动筒(tǒng)将克鲁格襟翼向前下方伸出,既改变了翼(yì)型,也增加(jiā)了翼面积,增升效(xiào)果也比较好。
3、飞机(jī)襟翼在(zài)发展中
襟翼(yì)的发展并没有完结。上面(miàn)介绍的襟翼(yì)装置发展(zhǎn)比较成熟,还有一(yī)类襟翼(yì)概念(niàn)提出的也(yě)很早,但直到现在仍不完(wán)善(shàn),这就是喷气襟翼。它的设计方案很多,基本(běn)思(sī)想都是通过从发动机或高压气瓶引出气体,吸向机翼或襟翼表面,达(dá)到增加(jiā)升力、推迟分离、降低阻力、改善失速特性的目的(de)。由于(yú)喷气襟翼十分复杂,目前只有个别飞机,如“鹞”式垂直(zhí)起降(jiàng)飞机(jī)和F-4、米格-21轻(qīng)型战斗机使用了喷气襟翼。其试验工作仍在进(jìn)行之中。
特殊襟翼
我们知道,襟翼的种类有很多,除(chú)了(le)常(cháng)用的简单襟翼、开裂(liè)襟翼、开缝(féng)襟(jīn)翼和后(hòu)退襟(jīn)翼(yì)等均位于机翼后缘的后缘(yuán)襟翼(yì)以外,还有一些(xiē)与(yǔ)普通后缘襟翼构造有差别(bié)的特殊襟翼,如位于机翼前缘的前缘襟翼与(yǔ)克鲁(lǔ)格襟翼,以(yǐ)及可以在(zài)机翼上(shàng)引入发动机的(de)喷气流,改变空气在机翼上的流动状态的喷气(qì)襟翼。
前缘襟翼:后(hòu)缘襟翼都位于机翼的后缘,如果把(bǎ)它的位(wèi)置(zhì)移到(dào)机翼的前(qián)缘(yuán),就变成了前缘襟翼。前(qián)缘襟翼也可以看作是(shì)可偏转(zhuǎn)的前缘。在大迎角下,它向下(xià)偏转(zhuǎn),使前缘(yuán)与来流之间的角(jiǎo)度减小,气流(liú)沿(yán)上翼面的流动比(bǐ)较光(guāng)滑,避免发生局部气流(liú)分离(lí),同(tóng)时(shí)也(yě)可(kě)增大翼型的弯度。
前缘襟翼与后缘(yuán)襟翼配合使用可进一(yī)步(bù)提高增(zēng)升效果。一般的后(hòu)缘襟翼有一(yī)个缺(quē)点,就是当它向下偏转时,虽(suī)然(rán)能够增大(dà)上(shàng)翼(yì)面(miàn)气流的流速,从而增大升力系数,但(dàn)同时也使得机翼(yì)前缘处(chù)气流的局部迎角增大,当飞机以(yǐ)大迎角(jiǎo)飞(fēi)行时,容易导致机翼前缘上部(bù)发生局部(bù)的气(qì)流分(fèn)离,使飞机(jī)的(de)性能变坏。如果此时采用前缘(yuán)襟翼,不但可以(yǐ)消除机翼前缘上(shàng)部的局(jú)部气(qì)流分离(lí),改善(shàn)后缘(yuán)襟翼的增升(shēng)效果,而且其本身也具有增升作用。
克鲁格襟(jīn)翼(yì):与(yǔ)前缘襟翼作用相同的还有一种克鲁格(Krueger)襟翼。它一般位于(yú)机(jī)翼前缘(yuán)根部,靠作动筒收放。打开时,伸向机(jī)翼下前方,既增(zēng)大机翼面(miàn)积,又增(zēng)大翼型弯度,具有较好的增升效果,同(tóng)时构造也(yě)比较简单。
喷气襟(jīn)翼:这是目前正在研究中的一种(zhǒng)增升装置(zhì)。它的基(jī)本原理是:利用从涡轮喷气发(fā)动(dòng)机引出(chū)的压缩(suō)空气或(huò)燃气流,通过机翼(yì)后(hòu)缘的缝(féng)隙沿整(zhěng)个翼展向后下方以高速喷出,形成一片喷气幕,从而起到襟冀的增升作用。这是超音速飞机(jī)的一(yī)种特殊(shū)襟(jīn)翼,其名(míng)称来历就是将“喷气”和“襟(jīn)翼”结(jié)合(hé)起来。
喷(pēn)气襟翼一方(fāng)面改变(biàn)了机翼周围的流场(chǎng),增(zēng)加(jiā)了上下压(yā)力差(chà);另一方(fāng)面,喷(pēn)气的反作用力在垂直方向上的分力也使机翼升力(lì)大大增加。所以,这种装置的增升效果(guǒ)极好。根据(jù)试验(yàn)表明,采用(yòng)喷气襟翼(yì)可以(yǐ)使升(shēng)力系数增(zēng)大到12.4左右(yòu),约为(wéi)附面(miàn)层控制(zhì)系统增升效果的2~3倍。虽(suī)然喷气襟翼的增(zēng)升效(xiào)果很好,但也有许多尚待(dài)解决(jué)的难(nán)题(tí):发动机的喷(pēn)气量太(tài)大,喷流(liú)能量的损失大;形(xíng)成的喷(pēn)气幕对飞机的稳定性和操纵性有不良影响(xiǎng);机翼构造复杂,重(chóng)量急剧增加;发(fā)动机的燃气流(liú)会烧毁机场跑道等等。

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