瀚海狼山:什么是超临界机翼?
2020-01-11 11:31:40
最近10年,随着谁谁家研发的大飞机越来越多。比如运20、C919和C929等逐步向世界先进水平靠拢,有一个航空专业词高频率的出现,这就是超临界机翼。当今全球新研发的大型军用和民用飞机,都多会采用超临界机翼。超临界是相对于临界而言,超过临界才叫超临界。临界和超临界,都是相对于音速。一般把一倍音速的飞行速度叫做一马赫,不过音速本身,在空气中并不确定。一般在常温常压下,海平面高度的音速大约是340米每秒。而上升到距离海平面1万米的高空,音速会下降到310米每秒上下。再到1.5万米以上更高的高空,音速甚至会进一步下降到300米每秒。因此对飞机来说,飞的越高,音速的绝对值会更低一些。不过不论是军用飞机还是民用飞机。更需要关注接近音速下带来的激波现象。
过去相当长一段时间,即使航空专家都认为一倍音速,也就是1马赫的速度在大气层内是不能超越的。因为当时制造的飞机还没飞到一马赫,就会出现飞行阻力瞬间急剧增大,飞机出现激烈震动的问题。如果继续飞行,甚至会出现飞机当即空中解体的极端情况。后来才知道如果把飞机形状和推力进行优化,1倍音速是可以超越的。不过在突破音速前后,出现激波和音爆的现象仍然不可避免。不过除了特殊的军用战机和个别追求高速的超音速客机,大多数民用客机和军用运输机并不需要超音速飞行。但是二战后发现,一部分飞机只飞到了0.85马赫的高亚音速,就已经出现飞机严重抖动和阻力急剧增大的现象。分析下来的结论是,虽然飞机此时整体上还没有达到音速,但是飞机的机体和机翼的局部气动位置,就已经达到了音速。
出现了激波气流的积累。导致飞机的震动和阻力的急剧增大。这种现象大多出现在飞机飞行速度足够高时,相当马赫数0.85到0.9。机翼上表面的局部流速可达到音速。这时的飞行马赫数称为临界马赫数。飞行速度再增加,上表面就会出现强烈的激波,引起气流分离,使机翼阻力急剧增加。为了保持飞机飞行的经济性,亚音速大型飞机的飞行马赫数不宜超过临界马赫数。不过二战后出现了喷气客机,随着喷气发动机的推力越来越大,飞机的整体速度也必然越来越高。因此临界状态就很容易出现。想要继续提高飞行速度,就要设法提高机翼临界马赫数。减小机翼厚度或采用后掠机翼,可以提高临界马赫数,但是这样会增加机翼重量。而且瀚海狼山认为在起降阶段,客机和运输机又需要较好的低速性能,因此机翼不能无限制的增大后掠角。如何在后掠角兼顾高亚音速和低亚音速的情况下,让飞行临界状态更晚的出现,提高飞机的整体巡航速度,更加节约能源提高效率,超临界机翼就是不多的选择。
美国人惠特科姆于 1967年首先提出,超临界机翼采用特殊翼剖面提高机翼的临界马赫数,使机翼在高亚音速时阻力急剧增大的现象推迟发生。其形状特征是前缘较普通翼型钝圆,上表面平坦,下表面接近后缘处有反凹,后缘薄,而且向下弯曲。这样,只有在飞行马赫数较高时,上表面局部气流才达到音速,即其临界马赫数较高。在达到音速后,局部气流速度的增长较慢,形成的激波较弱,阻力增加也较缓慢。从1972年开始,大型飞机开始普遍采用超临界机翼的设计。
过去相当长一段时间,即使航空专家都认为一倍音速,也就是1马赫的速度在大气层内是不能超越的。因为当时制造的飞机还没飞到一马赫,就会出现飞行阻力瞬间急剧增大,飞机出现激烈震动的问题。如果继续飞行,甚至会出现飞机当即空中解体的极端情况。后来才知道如果把飞机形状和推力进行优化,1倍音速是可以超越的。不过在突破音速前后,出现激波和音爆的现象仍然不可避免。不过除了特殊的军用战机和个别追求高速的超音速客机,大多数民用客机和军用运输机并不需要超音速飞行。但是二战后发现,一部分飞机只飞到了0.85马赫的高亚音速,就已经出现飞机严重抖动和阻力急剧增大的现象。分析下来的结论是,虽然飞机此时整体上还没有达到音速,但是飞机的机体和机翼的局部气动位置,就已经达到了音速。
出现了激波气流的积累。导致飞机的震动和阻力的急剧增大。这种现象大多出现在飞机飞行速度足够高时,相当马赫数0.85到0.9。机翼上表面的局部流速可达到音速。这时的飞行马赫数称为临界马赫数。飞行速度再增加,上表面就会出现强烈的激波,引起气流分离,使机翼阻力急剧增加。为了保持飞机飞行的经济性,亚音速大型飞机的飞行马赫数不宜超过临界马赫数。不过二战后出现了喷气客机,随着喷气发动机的推力越来越大,飞机的整体速度也必然越来越高。因此临界状态就很容易出现。想要继续提高飞行速度,就要设法提高机翼临界马赫数。减小机翼厚度或采用后掠机翼,可以提高临界马赫数,但是这样会增加机翼重量。而且瀚海狼山认为在起降阶段,客机和运输机又需要较好的低速性能,因此机翼不能无限制的增大后掠角。如何在后掠角兼顾高亚音速和低亚音速的情况下,让飞行临界状态更晚的出现,提高飞机的整体巡航速度,更加节约能源提高效率,超临界机翼就是不多的选择。
美国人惠特科姆于 1967年首先提出,超临界机翼采用特殊翼剖面提高机翼的临界马赫数,使机翼在高亚音速时阻力急剧增大的现象推迟发生。其形状特征是前缘较普通翼型钝圆,上表面平坦,下表面接近后缘处有反凹,后缘薄,而且向下弯曲。这样,只有在飞行马赫数较高时,上表面局部气流才达到音速,即其临界马赫数较高。在达到音速后,局部气流速度的增长较慢,形成的激波较弱,阻力增加也较缓慢。从1972年开始,大型飞机开始普遍采用超临界机翼的设计。