[科普中国]-边条翼构型

背景

战斗机上边条翼的采用是一项成功地利用脱体涡提高飞机性能的气动设计技术。它的出现与传统的飞机设计存在不少局限性有很大关系。60年代出现的一些先进战斗机的飞行速度已经达到2倍甚至3倍音速。如美国的F-4，F-104，F-105，F-106以及苏联的米格-21等。3倍音速的则有SR-71和米格-25等。这些飞机从空战的角度看存在许多严重的不足，一是由于采用后掠翼或三角翼导致飞机的低速性能较差，升阻比低；二是在大迎角飞行时，容易出现失速，极大地影响了机动性；三是横侧稳定性较差。为克服常规后掠翼战斗机的缺陷，变后掠翼飞机应运而生。但变后掠翼也存在大迎角飞行时容易失速和机动性差的问题。在这种情况下，边条翼布局出现了。这是脱体涡流型在战斗机上的首次成功运用。1

作用边条翼是在常规后掠翼或三角翼布局基础上，在机翼前缘翼根部延伸出一对贴近机身的狭长、尖前缘、大后掠(通常在70°~80°)翼片。通常边条都设计成与机身和主翼完全融合的形式。边条翼所起的作用正像“协和”式飞机的尖前缘一样，它在一定的迎角下即开始出现气流分离，形成很强的脱体涡拖向主翼面上方，从而可产生脱体涡附加升力。对战斗机来说，边条翼的采用能极大地改善飞机性能，克服了常规后掠翼、变后掠翼飞机的不足。具体作用如下：

①协调不同速度范围对机翼形状要求的矛盾。在高速巡航情况下，边条翼的作用不明显。在低速下，边条翼产生的旋涡可以使主翼面产生很大的涡升力。在一定的迎角范围，升力可比常规后掠翼增加25%~100%，大大改善了飞机的低速特性。

②大幅度减小波阻。在超音速飞行时，边条翼使激波强度大为减弱，从而提高了整个机翼的气动效率。实验表明，边条翼可以使配平阻力减少大约20%。

③提高机动性。通常，飞机机翼在超过一定的迎角时，气流不可避免地出现分离，升力系数会大大下降，从而出现失速现象。利用边条翼产生的脱体涡，会对基本翼产生有利的干扰，使边界层内气流动能增加，从而增强其抗拒分离的能力。实验表明，边条翼可把基本翼的失速角提高近10°，把最大升力系数提高60%，这就大大提高了飞机的大迎角机动飞行能力。

④改善飞机的稳定性一常规机翼的分离属不稳定分离，受迎角、马赫数、雷诺数的影响很大，而边条翼的前缘是一种稳定的三元涡，分离线基本固定在前缘?因此随迎角的变化，边条翼上始终是一种以脱体涡流动为主的流态，从而使气动力的变化比较和缓，机动飞行时的稳定性也将得到改善。

自60年代末开始，美国通过系统研究逐步使边条翼设计得以成熟。第一架成功地采用边条翼并结合主动控制技术的是F-16战斗机，大大提高了各方面性能，是当今性能最好的作战飞机之一。接着，美国利用边条翼技术研制出了F/A-18战斗机，它是兼有攻击能力的舰载飞机，制空作战能力也十分突出。它的机动能力极强，被誉为目前大迎角机动能力最强的飞机。苏联在70年代末发展的米格-29和苏-27也采用了边条翼，大大提高了机动性，缩小了苏联战斗机长期以来机动性方面与美国的差距。一般认为，边条翼布局是未来战斗机的标准模式。美国第4代先进战斗机F-22就采用了边条翼布局，其超音速巡航能力以及敏捷性是前所未有的。1

边条外形设计（1）设计方法。边条的外形设计有两种方法即经验方法和理论方法。

（2）边条外形对涡破裂位置的影响：

边条涡在机翼后缘破裂的迎角(涡破裂不影响机翼流场时迎角的大小)；

边条涡破裂后的发展(涡破裂在机翼上表面前移的速度)。

（3）面积变化。对三种不同面积的边条研究结果表明：面积小的边条涡的强度较低，旋涡在机翼后缘破裂的迎角也较小；而且在相同的迎角下，其破裂位置更靠前，三种边条涡的外形相似，它们的涡破裂特性基本相同。在攻角约为40°时，涡的破裂位置对每种边条均在边条根弦的1/3左右(从边条顶尖算起)。

（4）长细比变化。在战斗机设计时，边条展长的选择还受其他因素的影响。因此在边条相对半展长受限制时，改变边条长细比是一个办法，但改变长细比的同时也带来边条面积的变化。边条长细比减小导致旋涡在机翼后缘破裂的迎角也较小和旋涡破裂位置前移。当然这不完全是长细比的影响，还包括面积减小的影响。研究对比结果表明，边条长细比是影响边条气动性能的一个重要参数，所以长细比较大些好。

（5）外形的影响。边条外形的不同会带来旋涡强度的变化和破裂点位置的差异，试验研究的结果表明，流线形的边条对旋涡的特性有好处。

目前，边条翼理论设计方法尚不是一种完善的方法，用三维位流计算的边条/机翼/机身组合体大迎角特性也不够准确。可以利用理论方法给定不同参数计算出大量各种不同外形的边条，经过初步分析筛选后，选用较好的边条，再进行水洞和风洞实验，可以减小实验的工作量。

根据风洞实验和水洞实验的相关性研究，用水洞测出的旋涡特征参数对不同边条进行相对比较，结果是可信的。由于水洞实验更为简便，在水洞中进行筛选实验更为经济。

影响边条性能最主要参数是面积，其次是边条的长细比，要得到好的边条性能，首先要有一定大小的边条面积，在面积确定后要选用较大的长细比的边条。

可在一种面积比较大的性能较好的边条基础上，用不同的修形方法减小面积，可能在攻角低于30°的范围内，得到性能相近或更好的边条。在攻角大于30°的大迎角范围内主要取决于边条面积。

尖拱形边条比反弯形边条的性能好。2

气动布局气动布局的要求是 ：

(1)选择边条翼和其他气动布局部件的几何参数以保证大迎角时的升力增量，并在中小迎角时减小阻力提高空气动力效率。

(2)匹配边条和尾翼布局以保证必要的纵向稳定性和操纵性。3

优缺点边条翼是七十年代出现的超音速歼击机新机种所采用的一种机翼。现代超音速歼击机，除了应有合乎要求的超膏速飞行性能外，还必须有优越的跨音速格斗机动性。加装边条后，在亚、跨音速范围内，当迎角不大时，气流就从边条前缘分离，形成流动稳定的前绝涡，在它的诱导作用下，不但内翼部分升力增加，外翼气流也受到控制，使之不发生无规则的分离。可见，在边条翼上存在着两种流型：内翼是前缘涡流型，外翼是附着流流型，因此，边条翼也称为“混合流型机翼”或“混合机翼”。边条翼的这种流动特点，提高了机翼的临界迎角和抖振边界，保证飞机具有良好的亚、跨音速气动特性。

在超音速情况下，由于内翼部分相对厚度小，后掠角大，其减阻作用可以使整个边条翼的零升阻力接近细长翼的水平。此外，还由于从亚音速到超音速，边条翼的空气动力中心变化小，使配平阻力减小。所以，边条翼也具有良好的超音速气动特性。

边条翼在气动特性上也有其弱点。例如，在低速和亚、跨音速小迎角情况下，它的升力和阻力特性不如相同面积的无边条翼好，力矩随迎角变化不呈线性等。后者可以应用随控布局技术加以解决。4