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当头一砖的航空小屋

军事,航空,航母,沉迷于科技和力量的艺术

 
 
 

日志

 
 

舰载机那些事(一)翼位置之上单翼  

2011-03-28 15:41:34|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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舰载机那些事(一)翼位置之上单翼 - 当头一砖 - 当头一砖的航空小屋
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   上单翼是种古老的设计,100多年前李林塔尔那些滑翔机都是上单翼结构的,在航空技术发展的一个世纪间,无数的设计采纳了上单翼的设计,期间诞生了许多著名的型号,比如林白飞跃大西洋的路易斯精神号,在第二次世界大战中,上单翼的战斗机设计迅速让位与下单翼,因为下单翼起落架更容易设计,长度更短,并且更灵活。舰载机方面,二战中那些威名赫赫的F-4U海盗战斗机F-6F地狱猫战斗机,复仇者鱼雷轰炸机等都采纳了下单翼设计,下单翼设计统治了整整一个时代,而喷气技术的出现,,上单翼飞机首先在大型飞机上再次复兴,同温层堡垒B52轰炸机已经服役超过50年了,看来还一样老当益壮,美国人打算让它继续服役50年,飞行员们有希望祖孙三代都驾驶同一架飞机工作一辈子。航母上F-8十字军骑士,F-14雄猫,A-7海盗,A-5民团,A-3天空勇士等等都是上单翼飞机,他们统治着航母甲板长达数十年。美国最新的航母全能战斗机F/A-18E/F超级大黄蜂也是这样的产物,美国海军打算让这种飞机取代其他所有的喷气舰载机,这种飞机有能力身兼侦查,攻击,战斗,拦截,电子干扰,空中加油等等所有的航母上的力气活。
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        上单翼设计本身有一些固有的优点,比如它的结构比较单一,机翼可以就是机翼,甚至可以完全做成一个整体,机身只是悬吊在其下面的一个部件,结构设计计算是最简单的一种,梁和框架的布局也非常容易和灵活,空气动力学方面,上单翼上表面和机身上表面基本平齐,飞机流场的低压区没有相互干扰,不易出现分离,天生就有身翼融合的优势,容易形成高升阻比的构型,此外,上单翼最重要的特点还在于飞机重心悬吊于机翼下,重心和升力中心的垂线距离最远,可以达到最大的自然滚转稳定性,飞机具有较强的自动恢复的飞行姿态稳定性。这些特点比较适合具有远程飞行任务,或者操纵系统设计较简单的平台。

      但是事物有好就有坏,上单翼设计导致机翼距离地面高度很大,起落架很难布局在机翼上,只能在机身上想办法,为了容纳收放起落架,机身需要额外考虑全套的起落架舱的空间,这对机身设计的要求提高了。如果把起落架布局在机身上,起落架的主轮距则受到机身宽度的严重影响,通常上单翼布局的舰载机很难采用普通的结构简单的起落架结构,它们必须要有较大横向支撑的外斜臂,同时还需要保留有较好的折叠能力,这需要有较大的缓冲行程,避免着陆冲击对机身和起落架主要结构形成过大的应力冲击。另一个负面影响来源于起落架设计在机身时,受到一些结构尺度的影响,飞机腹部距离地面的距离有时会被提高,这会导致整个飞机高度的增加,喷气飞机巨大的垂尾很有可能会超过飞机库的高度限制,现代航空母舰的机库高度从二战前期的不足4.5米提高到5.7米,到现在的6.1米,甚至还有些航母达到7.6米的高度,都是为了协调喷气机的高度问题。超音速飞机的机身需要苗条瘦长,很多时候机身并没有充分的空间提供给起落架放置,那么很多飞机设计师只能从机翼根部和机身相连接处找到放下起落架舱的空间,这导致起落架必须支撑点必须提高到机翼高度,这往往导致起落架舱尺度很大,而且起落架重量也很大。

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      优点和缺点看起来对舰载机都同样的重要,如何取舍?美国海军用事实行动描述了它们的选择,美国是唯一的大甲板海军,它们从60年代开始就大量应用上单翼飞机,在它们的要求中,上单翼几乎是唯一能满足机翼下有足够高度和空间用于人员操作和武器挂载的。二战时期,F-6F战斗机机翼下表面距离甲板只有1.2米左右,战争后期可以允许挂载一些小尺度的炸弹和火箭弹,60年代,超音速的F-4鬼怪式战斗机机翼距离地面大约1.5米,可以挂载一些重型炸弹和长度不太长的导弹,而F-14战斗机机翼距离地面超过2米,可以挂载美国海军武库中任何一种尺度的弹药,同时,机翼高度对于甲板操作人员也有很大的影响,下单翼飞机,机翼下要挂载武器时,甲板机械师需要半俯身体弯腰低头在机翼下操作,甲板人员移动和运送东西时必须绕开机翼所占领的位置,而上单翼飞机机翼高度超过人的身高,可以允许甲板人员可以自由的从机翼下通行,同时,由于机翼下有足够的空间给人员停留和操作,甲板人员操作上单翼飞机外挂物装卸工作时,占用甲板面积远小于下单翼飞机,美国海军在中途岛号上曾经进行训练演练,上单翼的A7和下单翼的F-4执行同样的攻击任务甲板操作所占面积只比为1:3。有鉴于上单翼的对整个甲板操作的贡献, 美国海军在所有飞机招标中都将甲板及机库人员平均工时数作为飞机性能的主要指标之一,它可以决定飞机研制的成败与否。F/A-18A大黄蜂生产初期,性能在某些方面并没有达到美国海军的招标要求,它要取代的A-7,F4等飞机在航程等方面还有较大差距,但是F/A-18A是第一种考虑了航母维护和操作效能的飞机,它的甲板操作工时数仅为F-14的1/10,F-4的1/8,航母运行效率超过600%,因此,美国海军在国会质询的会议中力排众议,最终使这种飞机发展成为一种相当完美的舰载机。

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      现今世界现存的舰载机几乎都是上单翼的,美国的F/A-18系列,苏联SU-33,MIG-29K系列,它们都体现了上单翼对外挂物起宽泛的适应能力,进入70年代以后,空气动力学的进步让机身升力体设计开始变得流行,飞机设计师设计超音速飞机时不一定需要一个小而窄的细长机体了,他可以把整个机体考虑成机翼的一部分,机翼成为飞机上最主要的部件,机身,发动机,进气道都成了附加在机翼上的附件,su27,F14很好的诠释了升力体设计的惊人效率,它们都发展成为一代成功的舰载机。进入新时代,升力体和机翼机身设计的融合让上单翼和中单翼在很多时候都有些难以分辨,类似于F-35这样的飞机也能让机翼根部和机身连接处平滑而连续,身翼上表面干扰几乎不存在。但是不能否认的,上单翼飞机作为舰载机的主要设计选择,还将继续下去,短期内无法改变。

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