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战机飞不快,先给机身“瘦腰”?

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如果想让一架战斗机飞得更快,除了换装推力更大的发动机,还有啥办法?20世纪50年代,美国康维尔公司研制F-102时,一直为了飞机飞不快的问题头疼。它的机头尖、机身长,还装着宽大的三角翼,看着挺流畅,速度却始终达不到要求。后来,工程师在机翼附近把机身收细,再调整前后的外形,给飞机改出了一截“细腰”,才找到了减小阻力的关键办法。


飞行中的F-102A截击机。它在机翼附近收窄机身,并调整前后轮廓,以减小跨音速阻力。图片来源:美国空军博物馆


F-102A截击机外形图。工程师按照面积律调整机身轮廓,以减小飞机接近音速时的阻力。图片来源:NASA

飞不快怎么办?


F-102原本是冲着超声速飞行设计的,可早期风洞试验就发现,它一接近声速,阻力就明显增大,这样估计没法在平飞时突破声障。后来原型机上天一试,果然,速度始终达不到预期。

飞机接近声速时,气流的变化会带来不少不稳定因素。飞机本身还没达到声速,流过机翼等部位的空气,却可能已经局部超过声速,还会产生激波,使阻力进一步增加。因此,外形看着流畅,低速时飞得快,不代表接近声速时也能飞得快。

当时,美国国家航空咨询委员会(NASA的前身)也在研究怎样减小这种阻力。兰利实验室的气动专家理查德·惠特科姆认为,不能把机翼和机身分开看,得从整架飞机的外形上找原因。


1955年4月20日,理查德·惠特科姆检查按照跨音速面积律设计的模型。图片来源:NASA

把整架飞机一起“切开”


简单理解,就是想象从机头到机尾,一片片横着切开飞机,看看每个切面有多大。机头细,切面就小,往后机身越来越粗,切面也逐渐变大,接近机尾时,切面又逐渐缩小。

切到机翼与机身相连的地方,就得把两侧机翼的截面积一起算进去。机身本身的粗细变化可能很平顺,可加上机翼,这一段的总截面积就可能突然增加。惠特科姆发现,要减小飞机接近声速时的阻力,就要让机翼、机身和尾翼合起来的截面积,从前往后增减得越来越平缓才行。

既然机翼让这一段的总截面积增加了,就把同一位置的机身适当收细,再调整前后的外形,让各处的面积逐渐过渡。这样一来,机身看着多了一截“细腰”,整架飞机的截面积变化却更平顺了。


1953年用于试验的F-102火箭动力模型,左为应用面积律前的方案,右为修改后的方案。两者的机身轮廓明显不同。图片来源:NASA

需要注意的是,这里比较的是飞机横着切开后,每个切面的面积,不是俯视照片里飞机轮廓有多大。所以,判断一架飞机是否符合面积律,不能光看它有没有细腰,还得把机翼、尾翼等部分都算进去,看整体截面积是怎样变化的。

给战机改外形


惠特科姆和康维尔研制团队先拿模型做试验,把机翼附近的机身收细,再改一改后部的形状。风洞试验发现,这样改确实能明显减小阻力,原先飞不快的问题有望解决了。

可真要改飞机,康维尔却犹豫了,原型机已经开造,生产准备也做了不少,这时候改方案,前面的投入有些就得重来,还要多花钱花时间。但后来直到原型机试飞,速度果然达不到要求,他们这才下决心改设计。

修改后的F-102A在1954年12月首次试飞,成功飞过了声速。这都得益于团队把飞机外形改得更合理。工程师不仅收细了机身中段,还调整了前后的轮廓,让机翼、机身和尾翼合起来的截面积变化更加平缓。

腰越细,飞机就越快吗?


飞机要装发动机、油箱和各种设备,还得给武器留位置,机身当然收太细。面积律也不是让所有飞机都长出细腰,而是要把各个部位的外形搭配好,让整架飞机的截面积变化更平缓。

有些地方实在没法收细,就得从其他部位想办法。比如F-105,工程师没有一味缩小机身,而是在后部增加了局部鼓包,让机翼后缘附近的截面积减小的平缓一些。所以,咱们平常看着飞机多出来的一块,也可能是在帮助飞机减小阻力。

不过,减小阻力只是其中一件事,飞机还得飞得稳、结构结实,内部的设备也得装得下,还得综合考虑。

下次看到战机机翼附近的“细腰”,你就能明白个中原理了,机翼让这一段的总截面积增加了,机身就相应缩小一点,再把前后的形状调整好。机身和机翼配合得合适,才能帮助飞机飞得更快。

素材参考/ 美国国家航空航天局(NASA)公开资料整理,主要参考《惠特科姆面积律》《理查德·T.惠特科姆》《F-102A》。

编辑/云苓

审核/老虎、武瑾媛

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