不一樣的焰火——不走尋常路的飛機

前面幾期，玉衡童鞋講述過折翼的天使——從飛機到汽車的故事，又講述了不安分的汽車想上天的故事，然後利用3篇分析了如何上天的問題。今天，玉衡童鞋繼續說一說那些離經叛道、不走尋常路的飛機們。

不走尋常系列初步打算講述以下內容：

為了說明啥叫離經叛道的飛機，那肯定得說一下啥是正常的飛機。普通意義的飛機應該從螺旋槳雙翼機開始算，然後經歷了螺旋槳單翼飛機，噴氣式單翼飛機等發展歷程。

雙翼機帶著一個大大的螺旋槳，而且如果注意觀察，基本上都是平直翼，也就是翅膀是平直的，沒有向前傾或者向後傾。

然而現在我們看到的客機、戰鬥機都是機翼後掠35-55度，這到底是為什麼呢？這是個好問題，下面開始解答。

其實是這樣的，如果應用高中物理知識，對飛機進行受力分析的話，可以發現主要有四個力，推力，重力，升力和阻力，看圖，圖中把升力和阻力合成了氣動力。

當飛機飛行速度比較小的時候，平直並且大面積的機翼能獲得更大升力，而且阻力對飛機的影響不會太大。但是當飛行速度增大到接近聲速的時候，飛機機翼前緣會產生激波，平直機翼的阻力明顯增大。這時候如果把突出的機翼向後縮，氣流會更加流暢，阻力自然會減小。舉個生活中的栗子解釋一下，如果你扛著一個旗子慢慢走，肯定感覺不到太大阻力；但是你扛著旗子拚命奔跑的時候，可要分情況了：（a）旗子筆直豎起來，阻力太大，跑不動；（2）旗子斜著扛在肩上，跑起來就很自如了。

以上這些，可以引出本節的主角——前掠翼飛機。

1.前掠翼飛機

回到前掠翼問題上，其實最大膽提出前掠翼想法的可是二戰時期殺紅了眼的希特勒。1943年，著名的庫爾斯克戰役之後，德國損失了大量戰機，於是乎希特勒提出，研製一種"能超越盟軍任何一種戰鬥機"的轟炸機，Ju-287應運而生。

二戰德國的Ju-287應該是最早的前掠翼飛機

後來，為了小心求證，俄羅斯和美國都研究過，美國NASA把現成的F16拿過來改造一番，然後還做了大量的風洞試驗，也就是搞飛機模型放在超聲速風洞裡邊使勁兒吹風，測參數。這就是後來的F-16XL，也叫X-29，凡事以X編號的都代表試驗型號。

NASA的專家在大量風洞測試後發現前掠翼飛最主要的缺點在於氣動彈性發散，說人話呢，就是前掠機翼上產生的扭矩太大，機翼承受不了。當然這個問題隨著材料的發展已經不是問題了。

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1984年12月14日美國X-29A前掠翼驗證機首次升空。與F-16相比，其轉彎角速度可增加14%，作戰半徑可增大34%，起降距離可減少35%。

俄羅斯，更霸道，直接搞出來技術驗證機，然後在各種航展上玩各種特技，賺足了眼球。1999年SU-47金雕首飛並參加莫斯科航展，迅速成為航展明星。

蘇-47/S-37金雕採用了翼身融合的升力體結構，全動鴨翼位於邊條兩側，懸臂式中單翼，機翼前緣呈折線，內側後掠62度，機翼後緣前掠37度，展弦比4.5。梯形雙垂尾的結構基本上就是從蘇-27複製過來的。

這個飛機最大的特點就是，低空低速超機動能力，飛機可完成0速的機動動作，也可在保持航跡不變的情況下，完成0半徑的轉彎（定點轉彎）和完成0半徑的筋斗（定點筋斗）。這三個0到底啥意思呢？為了更好的說明一下，我借用了推力矢量發動機的蘇-37技術驗證機視頻。

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是不是蘇式飛機的超機動看得目瞪口呆，鑒於視頻上傳太麻煩，gif又很短大家就湊合看吧，小編也是格式工廠琢磨了一晚上了。當然，金雕的發展非常曲折，2002年起，俄羅斯空軍開始了未來戰鬥機項目PAKFA，也就是現在的T-50隱身飛機，金雕自然被雪藏了。

那麼，前略翼到底有什麼好處呢？為什麼機動能力這麼強呢？

從技術的角度來說，飛機在空中飛行的時候，機翼的前緣就得把空氣分割成上下兩半，如果飛行速度比較小還好。當飛機速度增大到接近音速，也就是340m/s左右的時候，問題出現了：要超聲速，就會在機翼前緣產生激波，而且這個激波阻力可以非常大的。如果還是平直機翼的話，激波阻力太大飛機速度上不去，而且可能會造成顫振使得飛機解體，這就是所謂的音障，這可是個巨大的難題。後來，科學家發現，採用後掠型翼，機翼前緣的激波會隨著氣流的外洗而逐漸從翼尖脫離機翼。如果前掠翼型，那就是從翼根處脫離，那激波阻力問題就迎刃而解了，看圖。

那麼到底激波是個啥玩意呢？這裡附上一張風洞實驗圖，以及一張小編計算飛行器座艙的流場圖。

這是飛機模型在超聲速風洞吹出來的激波形狀，看黑色的線條

這是計算機模擬出來的飛行器座艙外圍激波情況

本節就到這裡了，內容純屬原創，文中部分圖片來自網路，主要理論知識參考自北理宇航唐院長《飛行器系統概論》，計算結果均由小編完成。

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