[科普中國]-自由翼飛機

研究背景

在我國首艘航母遼寧號航空母艦的正式下水服役后，為了滿足這種適應(yīng)性和生存力非常強大的多功能戰(zhàn)機需求，除了常規(guī)艦載機J-15之外，這種具備垂直/短距起降能力，適應(yīng)戰(zhàn)場快速展開；可高速巡航飛行，具有較大的運輸載荷和航程，及時展開搜救、預(yù)警和運輸任務(wù)；亦能掛載導(dǎo)彈和航炮，具備空戰(zhàn)和對地作戰(zhàn)能力的綜合多樣性戰(zhàn)機的發(fā)展成為一種迫切的需求。

鑒于這類垂直/短距起降飛機的任務(wù)適應(yīng)性好、生存力強、機動性好的優(yōu)點，實現(xiàn)的方案有很多，可采用矢量發(fā)動機或旋翼，實現(xiàn)垂直起降；增大飛機機翼面積，多段翼分離流動控制，實現(xiàn)短距起降；增大飛機離地升力系數(shù)，采用自由翼，實現(xiàn)短距起降；利用“邊界層吸附效應(yīng)”提高升力，實現(xiàn)短距起降；艦載機的彈射發(fā)射或傾斜導(dǎo)軌起飛等等。

對于我國當前國際形勢和航空工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，需要發(fā)展多種功能和用途的型號飛機，但又尤其在發(fā)動機等某些重大技術(shù)發(fā)展受限制的情況下，采用推力矢量發(fā)動機來實現(xiàn)短距/垂直起降還不太現(xiàn)實，所以提出一種采用新型自由翼技術(shù)的方案，是個不錯的嘗試和選擇；具有可實現(xiàn)性、可操作性和適用性，能夠快速實現(xiàn)該類機型相關(guān)技術(shù)的突破和發(fā)展。對于自由翼技術(shù)的研究和發(fā)展將對適應(yīng)短距起降和惡劣環(huán)境下的運輸機的研制起著十分重要的作用。1

自由翼技術(shù)自由翼是繼固定機翼和旋翼之后，出現(xiàn)的一種新概念的機翼設(shè)計形式，它在未來先進航空飛行器包括高機動戰(zhàn)斗機的設(shè)計和發(fā)展方面的應(yīng)用具有十分重要的前景。自由翼技術(shù)代表了飛機設(shè)計的原始概念，即像鳥兒一樣飛翔，可實現(xiàn)短距起降，減少了對突風(fēng)的靈敏度和重心變化影響。

工作原理自由翼的工作原理是：機翼通過一根展向旋轉(zhuǎn)軸與機身相連接，并且可繞展向軸自由轉(zhuǎn)動，故而稱之為自由翼。類似風(fēng)向標自適應(yīng)調(diào)節(jié)陣風(fēng)或其他突發(fā)性相對迎角的改變，而且通過自由翼的升降副翼舵面控制自由翼相對氣流的平衡迎角，保持升降副翼偏不變時，無論氣流從哪一方向吹來，自由翼的相對于氣流的平衡迎角始終保持穩(wěn)定不變；當需要改變飛機的機翼迎角時，僅需要通過調(diào)升降副翼舵偏角來實現(xiàn)自由機翼的轉(zhuǎn)動；當自由翼受到如陣風(fēng)、紊流等外界擾動影響，一旦擾動消除自由翼又能很快地自動恢復(fù)到平衡迎角，可以避免機翼的失速問題，也減小了對陣風(fēng)、紊流的敏感性。1

性能特點自由機翼飛行器在飛行時，當機翼受氣動力影響后，迎角幾乎能保持恒定。相比整架飛行器來說，機翼的慣性矩減小，可以更加便捷地適應(yīng)來流方向的變化。自由翼的設(shè)計表明其具有強勁的突風(fēng)緩和性和不易失速性。但相應(yīng)的代價就是，可獲得的最大升力系數(shù)減小了。風(fēng)洞試驗結(jié)果和分析表明，與典型的超輕型飛機相比，自由翼的設(shè)計對大氣湍流不敏感，也不太可能達到失速。預(yù)計這將顯著提高安全性和使用性。自由翼的設(shè)計具有重要的突風(fēng)緩和能力。當然，設(shè)計參數(shù)的選擇也是非常重要的。一個選擇不當，可能會降低或抵消預(yù)期的改善效果。自由翼的設(shè)計一般很難出現(xiàn)機翼失速的情況。相對于傳統(tǒng)的飛機設(shè)計，這項性質(zhì)是一個安全特征。對于某些外界擾動影響如紊流、陣風(fēng)等后，一旦擾動消除，無需外界操縱，自由翼能迅速地恢復(fù)到平衡迎角。

與此同時，自由翼的氣動優(yōu)勢在于：自由翼的平衡迎角可以通過升降副翼來控制，并且可以使自由翼工作在特定需求的迎角狀態(tài)下；根據(jù)任務(wù)需求不同，利用最大升力系數(shù)或者最佳升阻比，對飛機的短距起降和巡航都十分有利；在實飛過程中自由翼受到的氣動力相對旋轉(zhuǎn)軸的俯仰力矩為零，抗突風(fēng)、紊流等外界擾動能力好，為實現(xiàn)遠距長航時飛行提供技術(shù)支撐。

總體上來說，自由翼無需復(fù)雜機械結(jié)構(gòu)和能量操控消耗，采用流體控制方式，實現(xiàn)機翼的自由轉(zhuǎn)動，繼而實現(xiàn)飛機的短距起降；同時，自由翼可以潛在應(yīng)用于減少機身振動，這對延長機載設(shè)備的壽命有利，是良好的電子照相和偵察設(shè)備的運輸載體。

根據(jù)上述特點，自由翼非常適合短距起降運輸機和其它全新氣動布局飛機的研發(fā)和制造，采用自由翼形式進行氣動布局設(shè)計的飛機能夠利用自由翼的特點實現(xiàn)短距起降和巡航抗突風(fēng)、紊流的特點，能夠滿足多種任務(wù)需求的飛機設(shè)計，是一種具備潛在應(yīng)用前景的研究方案。1