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日志

飞机气动设计动态(军机版)-空战的早期形式

已有 1930 次阅读2015-12-1 16:09 |个人分类:教学相长|系统分类:科普

        人类的飞行梦想在远古时代就已经产生了,这一点可以从中外古代传说中得到验证。比如《山海经.海外西经》中曾经记录过一个奇肱国,“其民一臂三目,有阴有阳,乘文马。”《博物志》则称奇肱国国民“能为飞车,从风远行”,这大概是我们中国人飞行梦想的最早记录。古希腊神话中也有代达罗斯和伊卡洛斯父子用蜡把羽毛粘在一起,制作成翅膀飞到天空中的故事,可见飞行梦想是整个人类共同的梦想。

                               

                                                                             图1 The Flight of Icrus

        现代飞机诞生在欧美,因此追溯航空发展史的时候我们还是以欧美的航空史为主线。在欧洲的航空发展史上,“重于空气的飞行器”是否能飞起来曾经是一个争论不休的话题。大家可能觉得很奇怪,难道欧洲人没看过鸟类这种重于空气的物种在天空飞行吗?当然看过,不过他们认为鸟类的翅膀上有上帝赋予的神力,因此鸟类可以飞翔并不能证明“重于空气的飞行器”可以在空中飞翔。尽管如此,还是有人希望通过模仿鸟类的飞行来实现人类的飞行,其中就包括文艺复兴三巨匠之一的列奥纳多.达.芬奇。很多人熟悉达.芬奇是从他的画作《蒙娜丽莎》和《最后的晚餐》开始的,其实达.芬奇还是有着诸多发明创造的工程师,其中就包括发明设计扑翼机、降落伞和直升机,甚至还发明了类似于坦克的武器。他发明的扑翼机由两个转轮驱动一个类似于鸟类翅膀的机翼进行飞行,他的降落伞则是一个金字塔形的降落伞,他的直升机则采用了一个连续的螺旋面用于将空气向下驱动。虽然这些设计在现在看来有明显的缺陷,但是作为15世纪的人能如此全面地想到未来飞行器的模样,还是令人无法不对其天才发出感叹!

                   

                                                                              图2 达.芬奇和他设计的直升机

                   

                                                                           图3 达芬奇设计的扑翼机和降落伞

        从我国的历史记载上看,我们中国人显然没有“重于空气的物体不能飞行”这样的困惑。大概是因为没有这个心理障碍,所以在奇肱国的传说后,还有鲁班制作木鸟飞行三日不下的故事,《汉书.王莽传》记载在王莽时期还有人用鸟的羽毛制作成翅膀,可以飞行数百步。据说在清朝的时候苏州有一个能工巧匠徐正明成功制作出了飞车,可“离地尺余,飞越港汊不由桥”等等。虽然这些记载缺乏实物证据,但中国古代就发明出了风筝、竹蜻蜓和孔明灯等飞行器却是不争的事实。这些发明辗转传到欧洲,对在欧洲兴起的飞行器设计起到了启迪作用,比如孔明灯启迪了蒙哥尔菲兄弟发明了热气球,竹蜻蜓则引起了英国的乔治.凯利爵士(Sir George Cayley, 1773-1857)的巨大兴趣:凯利爵士改进了竹蜻蜓的设计,他设计的“竹蜻蜓”由两层羽毛制作的旋翼构成,两层旋翼之间用支架连接并用橡筋驱动,使得改进后的“竹蜻蜓”可以飞到30米的高度,由此证明了“重于空气的飞行器”可以飞上天空。


        这里补充的一点是,中国的航空史常常被看作现代航空的史前史,原因就在于现代航空中的很多设计概念都可以在中国的历史中找到原型,有些航空器甚至直接受到中国古代航空器的启发才被发明出来。除了上面提到的几点外,三皇五帝中的舜从谷仓上手持两个斗笠成功降落地面的故事,是降落伞原理最早的文字记载。还有就是中国古代记录中的“飞车”实际上与现在的“飞机”是一个意思。除了中国以外,在南美也曾经出土了与现代飞机高度相似的飞机模型。当然这些是题外话就不多说了。


        凯利爵士除了用竹蜻蜓证明“重于空气的飞行器”可以起飞外,还用根据力的分解原理,将空气动力分解为升力和阻力两个分力。在凯利爵士以前,人们大多尝试象鸟类那样,用一副翅膀同时解决提供升力和克服阻力的问题。凯利爵士通过力的分解将提供升力与克服阻力两个任务分别交给两个部件完成,导致现代飞机设计中“将机翼用于提供升力,推进装置用于克服阻力”这一基本概念的形成。凯利爵士将这个力的分解原理刻画在一枚硬币上,这枚硬币也因此成为航空发展史上的重要文物,据说至今还保存在大英博物馆里。凯利爵士还发现带攻角的平板可以产生升力,因此他设计制作的飞行器主要包括两种,一种是基于竹蜻蜓原理、用旋翼产生升力的飞机,一种是基于平板产生升力原理的固定翼滑翔机。凯利爵士曾经先后让一名10岁的儿童和他自己的马车夫乘坐他的滑翔机升空,因此在西方的航空史中凯利爵士被认为是载人滑翔飞行的先驱。在他设计的飞行器上还安装了提供推力的动力装置,可惜由于当时还没有推重比足够高的发动机,所以凯利爵士还无法实现带动力的飞行。凯利爵士著有《论空中航行》一书。因凯利爵士在航空发展史上的巨大贡献,所以凯利爵士被认为是“现代航空之父”。


        凯利爵士之后另一位里程碑式的人物是德国的利林塔尔(Otto Lilienthal,1848-1896),利林塔尔在航空上的主要贡献在于对鸟类飞行的研究和在滑翔机上的实践。利林塔尔在研究鸟类飞行的基础上,模仿鸟类的翅膀设计制作了滑翔机的机翼,并拍摄了大量飞行试验的影像资料。其滑翔机的特点是在平面形状和结构上模仿鸟类翅膀,同时采用张线结构支撑整个机翼,甚至还设计了平尾和立尾用于控制飞机的平衡。利林塔尔一般选择山坡地进行滑翔飞行,其飞行可以达到离地数米、飞行数百米的程度(很像中国古代传说中的“飞车”)。利林塔尔在飞机设计中大量使用旋臂机进行气动试验,在其后期已经开始研究带动力的飞行,并积极研制用于航空飞行的发动机。可惜的是在一次飞行中,利林塔尔驾驶的滑翔机失去控制坠毁在地面,并导致他的脊柱骨折而去世,其航空探险历程戛然而止。利林塔尔著有《作为航空基础的鸟类飞行》一书,他的工作直接启迪了后来的航空探索者。


        再接下来就是大名鼎鼎的莱特兄弟。莱特兄弟在1903年12月17日进行的有人驾驶的带动力飞行通常被看作航空时代的起点,有着划时代的意义。这里需要注意的是带动力的飞行在莱特兄弟之前就已经由另一位航空先驱兰利实现了。在兰利设计飞机的时候,汽油机已经被发明出来,查尔斯.曼利则为兰利设计了由5个气缸组成的星型活塞式发动机,为兰利的飞机提供了可靠的动力。兰利设计的飞行器为串列式双翼机,在吊舱中加装了动力装置,并实现了无人驾驶的带动力飞行。随后美国海军给兰利一笔投资,希望他将其带动力的飞行器发展成为有人驾驶的带动力飞行器。兰利以原有的无人驾驶飞机方案设计了一个放大版的有人驾驶飞行器,并选择采用弹射起飞方式起飞。可惜的是在试飞的过程中,飞机尾部撞上一根栏杆导致机身折断而失败。这件事发生在1903年10月,也就是莱特兄弟成功试飞前两个月,虽然后人按照兰利的设计方案复制的飞机也试飞成功,证明兰利的设计是可行的,但“有人驾驶的带动力飞行”的桂冠还是落在了莱特兄弟的头上。


        这件事看上去似乎莱特兄弟只是比较幸运,但实际上莱特兄弟的成功是与他们的长期学习和研究分不开的。莱特兄弟均受过良好教育,做过印刷生意,担任过刊物编辑和出版商,最后在自行车热的浪潮下开始做自行车维修和制造生意,同时对飞机设计产生了浓厚的兴趣。莱特兄弟有位好朋友叫查诺特,此人曾经是利林塔尔的好友,到美国后又成为莱特兄弟的好友,并将利林塔尔的经验传递给了莱特兄弟。莱特兄弟还认真学习了凯利爵士等前辈的著作,并自行设计制作了用于机翼气动实验的风洞,并提出螺旋桨就是旋转的机翼这一关键概念,莱特兄弟设计的螺旋桨的气动效率仅比现在的螺旋桨效率低几个百分点,同时他们设计的机翼的翼尖部分是可以偏转的,并可以由此产生横滚力矩,实现对横滚运动的控制,这些都为他们成功完成飞机设计打下了坚实的基础。


        这里需要插播的一条知识是气动试验方面的历史。十九世纪航空先驱们(包括凯利和利林塔尔)大多使用的都是旋臂机(swirling arm),这种机器最早由英国数学家本杰明.罗宾斯(1707-1751)发明,其原理是在一根水平横杆的一端安装试验模型,水平横杆则安装在一根竖直的转轴上,通过旋转运动在试验模型上产生相对稳定的气流,以此来进行实验。风洞则是由弗兰克.温汉姆在1871年发明的实验装置。旋臂机的主要缺点是在旋转过程中,模型周围的空气也随之旋转,使得模型周围气流速度不再是旋转的模型与静止空气之间的相对运动,同时模型在旋转过程中总是落在自身产生的尾迹中,造成实验气流的湍流度总是很高,使得测试数据的精度大受影响。另外,高速旋转的模型上也不容易安装测试装置,这些都是旋臂机的缺点。风洞则是在运动相对性原理下采用模型固定不动,气流相对运动的实验装置,它的优点就是规避了旋臂机的缺点,可以产生高品质的受控气流,但直到莱特兄弟之后,风洞才成为气动研究的主要工具。除了旋臂机和风洞,早期的航空先驱们还尝试将模型安装在山顶或山洞口进行气动试验,或者把模型安装在马车和自行车上进行试验的。埃菲尔在建成著名的埃菲尔铁塔后,曾经利用铁塔进行翼型的气动试验。温汉姆当年发明的风洞是直流上吹式的风洞,埃菲尔在20世纪初则发明了直流开式下吸式风洞。


        莱特兄弟在设计飞机前反复试验对比了多种机翼平面形状,还把螺旋桨固定在自行车上对螺旋桨性能进行了大量试验,其结构形式则采用了双层机翼,并用撑杆和张线加固,特别是翼尖部分可以变形弯曲以提供滚转力矩,使其成为可以完全控制的三维飞行器。这些都是最终导致莱特兄弟成功实现有人驾驶动力飞行的关键因素,更为重要的因素是在他们之前,查尔斯.曼利设计出了推重比可以满足飞行要求的活塞式发动机。在此之前,马克沁(马克沁机枪的发明者)等人也曾经试图设计出带动力飞行的飞机,但最终都由于他们采用的笨重的蒸汽发动机无法满足飞行所需的推重比而导致失败。总之,种种机缘聚合在一起才导致莱特兄弟成功地发明了第一架有人驾驶的、带动力的飞机。


        在莱特兄弟发明飞机后,航空业快速兴起,飞机在战争中所拥有的潜在价值是不言而喻的。在飞机出现前,欧洲的军队就曾经利用热气球和氢气球进行空中侦察。在墨西哥内战(1910年)期间,政府军和起义军各自租用了一架美国的飞机进行侦察。在一次侦察任务中,其中一位飞行员拔出手枪向敌方飞机开枪射击,被认为是世界上第一次空战。在随后爆发的意土战争(1911年)中,飞机开始正式用于对敌侦察和轰炸。到了第一次世界大战(1914年)爆发时,空战已经常态化,空中力量开始成为现代战争的标识。由于军事上的需求往往具有紧迫性,并伴随着大规模的资金注入,也因此成为刺激航空工业从萌芽到成长壮大的主要动力之一。


        在此期间一个比较重要的气动设计进展是飞机增升装置开始作为独立部件出现在飞机设计中。如前所属,莱特兄弟通过调整翼尖弯度给飞机提供一个滚转力矩。1910年时,柯蒂斯则在其设计的双翼机的两层机翼之间加装了一个独立的小机翼以达到同样的目的。这个小机翼就是最早的增升装置,在早期它的设计用途是提供滚转力矩,后来则在提供滚转力矩控制外还用于提供额外的升力,以满足不同任务条件下对升力的不同需求,这也是“增升装置(high lift device)”这个名称的由来。就现在的用途而言,增升装置主要包括襟翼和副翼两大类,同时还根据安装位置的不同,分为前缘增升装置和后缘增升装置。襟翼安装在靠近机身轴线的地方,主要用于在起降过程中提高升力的作用,副翼则安装在远离机身轴线的位置,既可以提供额外升力,也可以控制滚转力矩。增升装置在刚刚提出时是作为独立部件安装在飞机上,后来为了减小飞行中的气动阻力,则将其与机翼融合在一起,仅在使用时打开,不使用时则没有额外的气动阻力。增升装置出现后,包括开裂式襟翼、后退式襟翼、开缝襟翼等设计形式纷纷涌现,并在1930年代达到顶峰,成为飞机气动设计中的一项基本设计。


        飞机气动设计的另一个基本元素是翼型。翼型是机翼的剖面曲线,飞机的机翼可以看作是将二维翼型拉伸后形成的三维几何体,由翼型的气动性能可以推知机翼的气动性能,因此可以将翼型看作机翼的基因,翼型气动性能的研究因而就具有了重要的意义。现在我们熟知的翼型往往是钝头尖尾的一条二维曲线,但早期的翼型并不具有这样的特征。荷兰在数百年前就设计制作了风车,但荷兰风车上安装的桨叶只是一块平板,没有厚度、弯度的变化,实际上是依靠平板与风之间的攻角产生风力。在18世纪时,英国工程师John Smeaton在研究风车时发现增加弯度可以提高风车的风力,并提出一个升力公式L=kV^2ACl。这个公式与我们常见的升力公式已经非常接近,莱特兄弟曾对这个公式中系数k的取值做出修正。至此,由古代风车到John Smeaton的弯度翼型,再到凯利带攻角的平板,再到利林塔尔的类鸟机翼,再到莱特兄弟的翼型,翼型仍然可以近似看作一个无厚度的曲面。直到普朗特在哥廷根大学建设了全尺寸风洞并对机翼气动性能进行全面试验之后才发现,钝头尖尾的翼型才是飞机设计中最合适的翼型,现代翼型的基本型式才被确定下来。莱特兄弟虽然也作了风洞试验,但他们的风洞尺寸很小,风速很低,他们用于试验的机翼模型尺度也很小,因此模型与实际飞机之间不满足雷诺数相似,因此他们最终采用的还是厚度很小的弯曲曲面作为。普朗特的全尺寸风洞实验则保证了雷诺数相似,并在试验中发现钝头翼型可以提高最大升力系数,大幅度改善飞机的气动性能,由此才奠定了翼型设计的基本型式,并设计了近千个翼型。这些翼型大部分具有上半段曲线弯曲,下半段曲线平缓的特征。后来美国的一位叫Clark的海军军官干脆将哥廷根翼型下半段曲线的后半部分(约70%)直接用直线代替,形成一种更便于加工制造,气动性能也不赖的翼型,这就是航模设计中常用的Clark Y翼型。

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