[科普中國]-超音速翼型

簡介

在超音速飛行時，為減小波阻，翼型應具有尖前緣，使產(chǎn)生附體的斜激波以代替離體的正激波，這就是超音速翼型的基本特點，常見的形狀見圖。相同厚度下，四邊相等的菱形具有最小的波阻，但菱形剖面與六邊形剖面亞音速性能太差，因而并無實用價值。雙弧形剖面由兩段曲率相同的圓弧構(gòu)成，氣動效果較好，剛度也好，在飛機上已有采用。

超音速翼型的氣動特性可根據(jù)線化理論或激波膨脹波方法計算。由于尖前緣翼型的亞音速性能很差(如前緣必然產(chǎn)生分離)，為了兼顧各個速度范圍的性能，并且足夠的后掠可使超音速飛機的機翼保持亞音速前緣，目前大多數(shù)超音速飛機仍采用小鈍頭的亞音速翼型。1

超音速翼型物體作超音速飛行時，前后都會出現(xiàn)沖激波。為了減小頭沖激波所生的波阻，超音速飛機的機翼前緣常常用尖的。只有一些后掠得很厲害的機翼，仍采用小圓頭尖尾的翼型。2

超音速翼型在超音速氣流中產(chǎn)生舉力的道理，基本上和低速時差不多，也是上翼面的壓強比下翼面低的緣故，上下翼面有壓差，于是有一個向上拾的合力，即舉力。以右圖這樣一個菱形剖面來說，當超音速氣流遇到機翼的前緣時，上下翼面都要產(chǎn)生一道沖激波，不過，當沖角是正度數(shù)的時候，下翼面對流來的氣流而言，角度比上翼面的大些，所以下面的頭沖激波比上面的強些。

波后壓強陡升的量也是下翼面的較之上翼面的為大。氣流經(jīng)過頭沖激波之后，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，便不再變化。所以在前半段翼型，上下翼面的壓強各維持一定的高壓值，參看壓強分布圖。但下表面的正壓強比上表面的正壓強為大，結(jié)果造成一個向上抬的力。氣流流過中間棱角處時，因后半段翼型是收攏的，氣流便發(fā)生一系列的膨脹波。經(jīng)膨脹波后，壓強下降。這時上表面膨脹得比下表面厲害，所以上表面的吸力比下表面的大，結(jié)果也造成一個向上吸的力。這樣，前后兩段都有一個向上作用的力，二者合在一起就是機翼的舉力。

前后兩半段對產(chǎn)生舉力所起的作用來說，大致各占一半，所以超音速翼型的舉力作用點(又叫壓力中心)大致在翼的中點處，這和低速翼型(舉力以前緣附近的作用為主，舉力的作用點很靠前，約在1/4弦線處)有很大差別。舉力作用點后移，增大低頭力矩，為了平衡，要求尾翼有更大些的抬頭力矩。

就上下翼面對產(chǎn)生舉力的作用來說，超音速翼型和低速翼型也不一樣；低速翼型上表面的吸力比下表面的壓力重要得多，超音速翼型則上下表面同等重要。細算一下，下翼面的作用還大一點。飛行馬赫數(shù)越高，下翼面的作用越大，這是和空氣的流動性隨馬赫數(shù)上升而相對地越來越壞有直接關連的。馬赫數(shù)高到很高時(如超過10)，空氣的流動性相對地說來幾乎沒有了，于是空氣便像一顆顆彈丸打在機翼的下表面，那時舉力的產(chǎn)生就幾乎完全靠下表面的作用了。2

降低波阻影響分析關于波阻，為了降低波阻，機翼機身都得用尖的前緣。前緣尖些沖激波就可以弱些，波阻也小些。波阻是和相對厚度的平方成正比的，所以超音速飛機得用很薄的翼型，現(xiàn)在最薄的用到3%。這樣，原來放油箱或其他東西的翼內(nèi)空間就縮到很小，為了減小波阻，機身也得用尖頭，為了要有足夠的容積好放油箱之類的東西，結(jié)果只好把機身做得很長，這是超音速飛機的特點之一。

超音速飛機在飛行時，除了因機身機翼有厚度而引起波阻外，當機翼有沖角時，還有一部分由沖角而來的波阻和誘導阻力，這部分的阻力和沖角的平方成正比。總起來，阻力要比低速、亞音速和剛過音速時大得多。這就需要大推力的噴氣發(fā)動機。2