[科普中国]-超音速翼型

简介

在超音速飞行时，为减小波阻，翼型应具有尖前缘，使产生附体的斜激波以代替离体的正激波，这就是超音速翼型的基本特点，常见的形状见图。相同厚度下，四边相等的菱形具有最小的波阻，但菱形剖面与六边形剖面亚音速性能太差，因而并无实用价值。双弧形剖面由两段曲率相同的圆弧构成，气动效果较好，刚度也好，在飞机上已有采用。

超音速翼型的气动特性可根据线化理论或激波膨胀波方法计算。由于尖前缘翼型的亚音速性能很差(如前缘必然产生分离)，为了兼顾各个速度范围的性能，并且足够的后掠可使超音速飞机的机翼保持亚音速前缘，目前大多数超音速飞机仍采用小钝头的亚音速翼型。1

超音速翼型物体作超音速飞行时，前后都会出现冲激波。为了减小头冲激波所生的波阻，超音速飞机的机翼前缘常常用尖的。只有一些后掠得很厉害的机翼，仍采用小圆头尖尾的翼型。2

超音速翼型在超音速气流中产生举力的道理，基本上和低速时差不多，也是上翼面的压强比下翼面低的缘故，上下翼面有压差，于是有一个向上拾的合力，即举力。以右图这样一个菱形剖面来说，当超音速气流遇到机翼的前缘时，上下翼面都要产生一道冲激波，不过，当冲角是正度数的时候，下翼面对流来的气流而言，角度比上翼面的大些，所以下面的头冲激波比上面的强些。

波后压强陡升的量也是下翼面的较之上翼面的为大。气流经过头冲激波之后，沿上下翼表面向后流去，在翼的前半段上，因上下翼表面都是平直的，便不再变化。所以在前半段翼型，上下翼面的压强各维持一定的高压值，参看压强分布图。但下表面的正压强比上表面的正压强为大，结果造成一个向上抬的力。气流流过中间棱角处时，因后半段翼型是收拢的，气流便发生一系列的膨胀波。经膨胀波后，压强下降。这时上表面膨胀得比下表面厉害，所以上表面的吸力比下表面的大，结果也造成一个向上吸的力。这样，前后两段都有一个向上作用的力，二者合在一起就是机翼的举力。

前后两半段对产生举力所起的作用来说，大致各占一半，所以超音速翼型的举力作用点(又叫压力中心)大致在翼的中点处，这和低速翼型(举力以前缘附近的作用为主，举力的作用点很靠前，约在1/4弦线处)有很大差别。举力作用点后移，增大低头力矩，为了平衡，要求尾翼有更大些的抬头力矩。

就上下翼面对产生举力的作用来说，超音速翼型和低速翼型也不一样；低速翼型上表面的吸力比下表面的压力重要得多，超音速翼型则上下表面同等重要。细算一下，下翼面的作用还大一点。飞行马赫数越高，下翼面的作用越大，这是和空气的流动性随马赫数上升而相对地越来越坏有直接关连的。马赫数高到很高时(如超过10)，空气的流动性相对地说来几乎没有了，于是空气便像一颗颗弹丸打在机翼的下表面，那时举力的产生就几乎完全靠下表面的作用了。2

降低波阻影响分析关于波阻，为了降低波阻，机翼机身都得用尖的前缘。前缘尖些冲激波就可以弱些，波阻也小些。波阻是和相对厚度的平方成正比的，所以超音速飞机得用很薄的翼型，现在最薄的用到3%。这样，原来放油箱或其他东西的翼内空间就缩到很小，为了减小波阻，机身也得用尖头，为了要有足够的容积好放油箱之类的东西，结果只好把机身做得很长，这是超音速飞机的特点之一。

超音速飞机在飞行时，除了因机身机翼有厚度而引起波阻外，当机翼有冲角时，还有一部分由冲角而来的波阻和诱导阻力，这部分的阻力和冲角的平方成正比。总起来，阻力要比低速、亚音速和刚过音速时大得多。这就需要大推力的喷气发动机。2