[科普中国]-战斗机设计

简介

从20世纪20年代开始，由于飞机发展的需要，使空气动力学的理论和试验手段(如风洞)都有了很大的发展。对于战斗机设计来说，空气动力学主要是研究飞机的机翼配置、外形和剖面(翼型)、机翼与机身以及其他部件的相互干扰和影响等问题。1

机翼配置的变化早期的飞机是双层翼飞机，后来双层翼的布局形式发展到三层翼甚至多层翼。历史上曾经有过一种很有名的三层翼飞机就是德国福克公司研制的Dr - 1三翼战斗机。该机采用了上中下三个面积差不多相等的机翼，飞行性能相当出色，曾在第一次世界大战中发挥过重要作用。后来经过一系列研究和对比，空气动力学家们发现，上下两层翼之间的距离(称为翼隔)越大，相互间因干扰而造成的对飞机升力的影响就越小。

风洞试验表明，按当时的飞机设计水平，单翼机的最大举阻比(Y/X)最大可达到17，而双层翼飞机的举阻比最大只能达14，三层翼飞机更低只有12。翼隔(B)和机翼平均弦长(b)大致相等为最好。若B/b大于1，说明机翼的结构不结实；若B/b小于1，两层机翼间的干扰会更加厉害。实际上当时的多翼机，有的B/b是大于1的，这主要是从飞行员的视野考虑的。

在空气动力学上，双翼机或多翼机的另一个缺点是机翼间的气流涡系相互作用，使每个机翼都会产生额外的阻力，其影响与减小机翼展弦比的效果是相同的。当时气动学家经研究发现，机翼的展弦比为6左右是最好的(低速飞机)，多数飞机通常采用的展弦比为4.5至7.5之间。对于这样的机翼，诱导阻力(因升力而伴生的一种阻力)的影响不大，没有必要进行精确计算。当时人们不断改进动力系统，使发动机的功率增长很快，但飞机的速度增加不多。第一次大战前战斗机的速度为210千米/小时左右，但到了1918年战斗机的最快速度也只能到233~241千米/小时。这主要是在空气动力性能方面改进不大。

以后，随着制作飞机的材料得到更新，例如开始使用铝合金，使飞机的结构性能有了很大的进步，从而促进了单翼机的发展。要使单翼机的气动特性比双翼机更好，必须减小翼面积(加大翼载荷)。这样一来，单翼飞机的起落性能下降，滑跑距离加长，从而使飞机的使用性受到限制。早期的单翼飞机发展慢，也有因试验条件限制，如风洞数据误导的原因。因为那时候飞机的机翼表面常常是粗糙不平的，蒙皮、合金和胶合板到处起皱，外形尺寸也不准确，这些不仅会使阻力增加，而且还有可能在飞行中造成失速，引起事故，从而加深了人们对单翼机的误解。

1936年，前苏联人对单翼机和双翼机的优劣进行了认真的分析对比，从而得出结论：单翼机的速度快，而双翼机翼载荷小盘旋性能好一些。这在当时是符合实际情况的。根据这一特点，当时的前苏联军方便提出了一种战术设想，即在空战过程中，用以伊 - 16为代表的单翼机，利用其速度快的特点先追上敌机并牵制住；然后，用以伊 - 15为代表的双翼机，利用其机动性好的优势与敌机作战并消灭它。所以，前苏联曾大量生产这两种飞机，以协同作战。30年代中期，西班牙战争是检验战斗机本身和战术思想的一个机会。实际情况表明，在急剧变化的空战中，两种性能差别很大的飞机要协同作战是十分困难的，因为当时还没有机上无线电通话设备。另外，实战结果告诉人们，单翼机不但速度快，而且在爬升性能上也比双翼机好得多，因此在空战中容易占优势。英国当时的主力战斗机是格罗斯特“斗士”双翼机，在空战中如遭遇德国的Me - 109单翼战斗机常常是一败涂地。从此，双翼战斗机逐渐被单翼战斗机所代替，并先后出现了喷气战斗机、超音速战斗机，喷气式超音速战斗机现在也已经发展到了第四代。

战斗机的增升装置从整个战斗机的发展历史来看，其飞行速度是越来越快，机翼的载荷越来越大，弋机的起降速度也越来越大，起落滑跑距离越来越长，因而对飞行员的技术要求也越来越高。为了解决这一问题，就必须提高飞机低速飞行时的气动特性，即增大升力、改善起落性能。因此人们想到了能不能把机翼的一部分做成活动的(除副翼外)，可以改变机翼的弯度和翼面积的大小。平时将活动部分收回去，起落时将其打开，以增加升力。这种可增加升力的活动翼面就称为增升装置。最早使用增升装置的是英国的SE4飞机(1914年)，这是一种双翼机，在其机翼后缘安装了简单的襟翼。但是，在双翼机上安装后缘襟翼，其作用是有限的，因为双翼机翼剖面很薄，加上襟翼后机翼更容易失速。失速现象往往是突然出现的，非常危险。使用后缘襟翼，在增大机翼升力的同时增大了机翼前缘的吸力峰值，使翼面气流分离提前，从而产生失速现象。正因为如此，尽管当时出现了后缘襟翼，但是大多数双翼机飞行员都不愿意使用。1