讲讲空气动力学：前掠翼飞机有啥优势，为什么我们不搞？

讲讲空气动力学：前掠翼飞机有啥优势，为什么我们不搞？

抱歉，最近移家，有点断更了。

这还是一个粉丝的留言，要W君讲讲前掠翼飞机的相关内容。

很多人一提到前掠翼飞机，就会到X-29和Su-47这两款战斗机的型号，但很遗憾的是，目前并没有前掠翼喷气式战斗机服役笔录。反而倒是各种科幻片中会出现大量的前掠翼战机。

这里得DISS一下电影中的科幻设计了，电影中的科幻设计往往有三个要素，但这三个要素和真实的军事技术都没什么关系，它们是：

1、让事物看起来更酷

2、让故事“说得通”

3、导演漠视了专业顾问的意见

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而使用前掠翼的设置，就让战斗机看起来和普通战斗机不同，就符合了第一点要求，也就是让飞机看起来更酷。

那么，真实的前掠翼是什么样子呢？

这就得从失速开始说起了。

当空气流过机翼的时候，机翼由于外形的原因导致机翼上部分的空气被加速，按照伯努利定理当气流的速度增加压强就会减小，因此机翼下部分空气的压强就会大于机翼上部分空气的压强，由于存在压强差，因此机翼获得了向上的升力。

我们假如仔细看察在机翼上缘流过的气流你会发现气流由两个部分组成。一部分十分平顺的被加速流过机翼，还有一部分是在空气被加速后气流产生扰动不规则运动，这种气流喊做分别气流，产生的升力是不能被有效利用的。

同时我们还会发现随着机翼的角度转变（攻角）分别气流在机翼上缘所占的比例越来越大，当分别气流达到一个临界点的时候，机翼就失往了产生升力的作用。

这件事在空气动力学中就喊做失速（Stall）。Stall这个词本身的意思是路边摊的小亭子。

Stall最早是嘲讽汽车抛锚的。

看到Stall的实物，和stalling的汽车，大家应该懂得都懂了吧。后来Stall的延伸含义就成了“某某部件不能按照预期完成工作”。在航空术语中Wing Stall就表达飞机机翼失往了升力。在汉语翻译的时候就喊做“失速”。其实失速和飞机的飞行速度（无论是垂直还是水平）没多大关联性。

在相同速度下，失速和飞机的机翼攻角有关联

是机翼的升力系数由高到低的临界转化点。

不过，这个东西是一个科普级别的概念，原因在于大家看到的是一个机翼的截面。当气流在机翼上流动的时候不仅仅会沿着垂直于机翼的路线流动，还会被机翼前缘的角度带动沿着机翼的展向流动。这就导致了真实飞机机翼的空气气流流动要远比咱们前面说的复杂。

这种展向气流就造成了覆面层移动的问题最终导致了“翼尖失速”，造成了机翼尖端的升力系数降低。简单形象的说就是本来吧，设计师设计了300平米的机翼产生升力，但是尖端部分的70平米机翼出工不出力，仅仅提供了理论上20平米的机翼所产生的升力。这就导致飞机实际上是背着50平米机翼的死重在飞。而且，当飞机攻角度变大的时候，本身所产生的失速问题也就更加加剧了机翼“出工不出力”的坏风气，以至于飞机难以获得足够的升力保持水平飞行。

为了防止机尖失速的问题加剧，很多飞机在设计的时候在飞机机翼上添加阻挡物，降低翼尖失速的问题。

最典型的就是现代很多客机上的翼尖小翼（winglet）。

既降低了翼尖失速的问题，又减少了诱导阻力。

还有就是在机翼上简单粗暴的加装上翼刀（Wing fence）物理性的约束负面层移动。

进而大幅度降“低翼尖失速”所带来的危害。其实明眼人都看得出，这些方法都是一个“挡字诀”，阻挡覆面气流向翼尖流动。

这时候，逆向思维就来了，挡住气流的流动，有什么翼尖小翼、翼刀能比飞机本身的机身更大更有效的阻挡气流呢？让机翼上的覆面气流反着流动不就可以了吗？改变覆面气流的流动方向，其实不就是改变展向气流的流动方向吗，将机翼由“后掠翼”改变成“前掠翼”就可以完美的解决这个问题。

于是就有了前掠翼飞机的设计。最早实用化的前掠翼飞机是德国的容克斯 Ju 287轰炸机。

属于最早被设计使用喷气式推进引擎的轰炸机，也是仅仅制造了两架原型机，伴随着纳粹德国的战败，就停止研发了。

当年德国的第一架原型机试飞成功，第二架原型机几近完成。试飞的那架Ju287，当年飞出了每小时512公里的巡航速度。这在二战末期已经是惊人的笔录了，到二战结束，美国最先进的B-29轰炸机也只有350公里/时的巡航速度。

高速带来的问题就是阻力的增加，不得不使用后掠翼，但是后掠翼本身带来的问题是低速下升力性能的降低这也就是出工不出力的翼尖失速问题。特别是在飞机起降的时候，本身攻角大速度慢，飞机的机翼效率假如得不到保障就极其轻易失速。

于是德国人也就摘用了前掠翼技术，极大的提高了飞机机翼升力的利用率。

其实，前掠翼的核心优势就是提高机翼升力的利用率，因此，前掠翼和后掠翼相比：

有更高的升阻比

具有更高的缠斗操控能力

在次音速时有更高的航程

有更高的抗失速和反尾旋特性

有更高的高攻角稳定度

有更低的最小空速

有更短的起降距离

例如X-29飞行的时候攻角可以达到68˚，远超当时的其他战机。

这也就是前掠翼飞机的优势了，不过，看看这些“优势”其实都集中在亚音速上。

虽然X-29是可以有马赫1.6的飞行速度的，而且Su-47也可以飞到马赫2.21，但这些特性就和前掠翼没有太大关系了，这是超音速飞行的空气动力学范畴的内容了。

其实咱们还是和前掠翼战机有很大的“缘分”的，中国第一架自己研制的战斗机（当年喊做驱逐机）其实就是前掠翼战斗机。

在1944年民国政府组装完成了XP-1战斗机。

设计时速580公里/时，设计航程1410公里。摘用前掠翼设计。

只不过当时欧美一样在卡咱们中国人的脖子，这架原型机的发动机是一台从坠毁的C-47运输机上拆下来的莱特SRC-1820活塞式发动机。飞机以木质结构和白铁皮、铝合金制造。

第一次试飞以失败告终。失败的原因众说纷纭，有的说是飞机的发动机是一台坠毁运输机发动机修复而成，欠缺稳定性，也有人说，飞机的结构难以承担飞行时的应力。

这个故事其实也在另一方面告诉了大家一个问题，设计和结构、素材同等重要。由于前掠翼飞机本身的机翼向前掠出，本身机翼在高速飞行下所承担的应力要远大于后掠翼战机，因此带来的结构解体、震颤等问题也需要 用结构和素材的手段来解决。但结构的加强和新素材的运用都会带来成本的增加和重量的增加。对于一架主要在高速飞行作战的战斗机来说这些投进就有些显得得不偿失了。因此，不仅仅是我们，其实世界各国也都把前掠翼战斗机当作一个“玩票”的项目来看待，取得一些试验性的数据但很少把前掠翼战斗机当作主流装备来发展。

不过，也别太灰心。前掠翼飞机本身的一个优势是攻角的领域远大于普通飞机。这就在教学领域有着先天的容错优势。

俄罗斯就推出一款使用前掠翼设计的双座喷气式教练机SR-10。

还是利用前掠翼的优势，让飞行员 在早期的飞行练习中更加安全。只不过虽然这架很想前掠翼版F/A-18F的战绩外看很虎，但是这是一家亚音速喷气式飞机。也没有真正的解决高速飞行下前掠翼的结构问题。