继续讲“涡”的利用。除了鸭翼和菱形机头,边条翼也是“涡”的来源。
边条翼是一种新型机翼,在机翼根部前缘处,加装一后掠角很大的细长翼所形成的复合机翼,称为边条翼。在边条翼中,原后掠翼称为基本翼,附加的细长前翼部分称为边条。
边条翼的气动特点是,在亚、跨音速范围内,当迎角不大时,气流就从边条前缘分离,形成一个稳定的前缘脱体涡,在前缘脱体涡的诱导作用下,不但可使基本翼内翼段的升力有较大幅度的增加,还使外翼段的气流受到控制,在一定的迎角范围内不发生无规则的分离,从而提高了机翼的临界迎角和抖振边界,保证飞机具有良好的亚、跨音速气动特性。在超音速状态下,由于加装边条后,使内翼段部分的相对厚度变小,机翼的等效后掠角增大,可明显降低激波阻力。另外,边条的存在,还可使飞机在跨音速和超音速飞行时的全机焦点后移量减小,导致飞机的配平阻力降低。因此,这种机翼也具有良好的超音速气动特性。
言归正传。 歼20量产型翼根前面的边条由验证机的尖拱边条改为了直边条,局部迅速减压产生的凝结水雾可以显示涡流的走势。
俯视照片可以看出验证机的翼根边条涡沿轴向向后延伸,受垂尾流场影响后拐弯向外破裂。而量产型修改成直边条后涡流走向变成了斜向外行,涡体轴心远远的避开了垂尾,完全延伸至襟副翼之后。所以基本可以判断这个涡流走势的变化正是是边条修改的主要目的。
涡流的充分利用是世界航空进入3代机时代的一个重要标志。充分利用涡流可以提高升力,增强舵效,改善飞机的大迎角性能,甚至也可以减小阻力,增加航程。但是看似“万能”的涡流其实也是一把双刃剑,用得好了,可以令飞行性能突飞猛进,用不好却能导致机毁人亡。涡流是有利还是有害不是由强弱决定的,而是它出现在哪里。如美军F/A-18大黄蜂战斗机就是走过较多弯路的代表。
大黄蜂作为以边条涡为气动设计的核心而开发的第3代战斗机的杰出代表,第一次有了如此巨大的前缘边条,有了可以在大迎角时避开机身遮蔽有效利用边条涡流的双外倾双垂尾。两种适合大迎角控制的结构结合在一起,而这两部分产生的气动力,给F/A-18带来大迎角时稳定升力和控制力矩。得到的,本该是梦幻般的大迎角性能……但是,却造就了长期困扰大黄蜂的弊病,为什么会变成这样呢?
NASA经过研究发现原来是大黄蜂边条翼产生的强烈涡流在垂尾前部破裂,对垂危产生了强烈的冲击,造成机体震颤和结构破损。如果不加以控制有可能造成垂尾断裂,严重危害飞行安全。
这一对边条涡与双垂尾的矛盾直到F/A-18E/F超级大黄蜂才算是彻底解决。
超级大黄蜂加宽的尖拱边条在产生强劲涡流的同时,将涡流的轴线向外移动,避开了直击垂尾。既提供了全舷长甚至覆盖平尾上表面的涡流,也擦过垂尾外壁,增强了舵效。
通过枭龙的研发改进,成飞对于尖拱边条的使用自然是得心应手。然而枭龙使用的是单垂尾,完全避开的涡流的不利影响。
而采用了双垂尾鸭式布局歼20自然就隐藏了新的气动难题。此前我们知道了歼20通过多涡系耦合,将涡升力提升到了令人发指的程度。然而全动式垂尾因为其应力更为集中,所以对涡流的冲击也更为敏感。但美国顶尖专家安德鲁·埃里克森博士曾在了解了歼20验证机后称赞其设计师为真正的天才。
在歼20改进定型过程中,天才们再次展现出他们的能力。通过看似简单的修形就有效解决了这一气动矛盾,既不破坏隐身,又增大了容积,甚至可能都没有增重。
歼20的每一个细节都饱含智慧,经验与技术,还在等待着我们用心去发现。