雙體飛機(jī)的空氣動力學(xué)原理與構(gòu)思過程

雙體飛機(jī)的空氣動力學(xué)原理與構(gòu)思過程2005-4-306:40:20中華網(wǎng)軍事頻道一、引子最近我畫了幾種雙體戰(zhàn)機(jī)，收到了很多負(fù)面回帖。去掉“SB”、“無聊”一類人身攻擊不論，大概有兩種需要本文做出解釋的。一類是我在炫耀PS手段，于是很多回帖抨擊圖片質(zhì)量，還有網(wǎng)友點(diǎn)名要我用PS把一張圖片中一個(gè)坦克炮塔搞得能夠旋轉(zhuǎn)。另一類是認(rèn)為我突然誤入PS“玩家”的岐途，勸我知迷而返。要說是“玩”，第一不是現(xiàn)在，而是十年前我在美國讀書的時(shí)候；第二是當(dāng)時(shí)“玩”得的確認(rèn)真，竟然跟一位北大物理系畢業(yè)的留學(xué)生學(xué)了半年空氣動力學(xué)，并且得到了這位老師的高度評價(jià)，他甚至認(rèn)為如果不是我理科底子太差，真應(yīng)當(dāng)去學(xué)物理。那么我是怎么開始畫飛機(jī)的呢？在美國讀書的時(shí)候，有一段時(shí)間我?？?探索頻道”系列介紹美國各種飛機(jī)的研制，每一種飛機(jī)的研制過程，就是美國人把夢想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的過程。我不是學(xué)文科的，對技術(shù)方面的東西既不很明白又缺乏興趣。我所敢興趣的，是美國人的腦子是怎么長的，怎么能夠想出這么多希奇古怪的東東，我們中國人怎么就想不出來。在中國總聽說是因?yàn)榧夹g(shù)落后，但“探索頻道”這套節(jié)目無可爭辯地告訴我：“沒有做不到的，只有想不到的'，而做的過程就是技術(shù)發(fā)展的過程。那么好，我也是中國人，我要是想不到就不要罵別的中國人是笨蛋。好再我學(xué)過畫畫，不愁想得出來，畫不出來。剛開始畫的時(shí)候，實(shí)在是令人氣餒，怎么畫也跑不出美國人造出過的飛機(jī)，就好象聽了命令一樣。于是我來了一個(gè)逆向思維：你機(jī)身不是瘦長形的嗎？那我就來一個(gè)橫寬，你不是個(gè)圓桶，我就來個(gè)變片，正好更適合飛行。這一時(shí)期我還常翻閱美國軍事刊物，就在我認(rèn)為也許有門了的時(shí)候，在一本雜志上看到了好幾種翼身合一的飛機(jī)構(gòu)想圖，都比研制中的：82翼身融合度高，多數(shù)就是一個(gè)巨大的翅膀。在飛機(jī)設(shè)計(jì)史上，這就是挑戰(zhàn)'雪茄煙”式的造型結(jié)構(gòu)。但這次我沒有完全失望，甚至有點(diǎn)得意：啊，我想到的也是他們正在想的，誰都還沒有造出來呢。我畫飛機(jī)，既不張揚(yáng)，也不保密。有一次讓前面提到的那位北大同學(xué)看到了，他提出了一個(gè)我從頭就沒想也不打算想的問題:飛機(jī)飛不起來。我當(dāng)時(shí)回答他說，我只是在用自己測驗(yàn)中國人的想象力，飛的起來飛不起來是技術(shù)人員的事。我以為這樣就算對他解釋清楚了，沒想到他來了一句，那就沒必要了，星球大戰(zhàn)那些東西，還有玩具飛機(jī)都想絕了，你不考慮能不能飛，就是在做那種事情，而且差得太遠(yuǎn)了。這可真把我憋了，也真讓我為難了。幸虧他又補(bǔ)充了一段。真能不能飛，專家也不能打保票，不然要風(fēng)洞干什么，但你至少要讓懂的人看著能飛。其實(shí)空氣動力學(xué)原理并不復(fù)雜，你又不要求在科學(xué)上逼近準(zhǔn)確，大概像那么回事就行，應(yīng)當(dāng)不是什么多難做到的事情。我知道自己的理科底子太差，沒想到這位，爺”竟然拍胸脯包我聽得懂。好，引子說完了，下面我就把他講的'科普級”空氣動力學(xué)加上我的“科普級”理解講給大家，講完之后自然回引出雙體機(jī)的空氣動力學(xué)原理和特點(diǎn)。二、概論也許你會覺得我太過正經(jīng)，但是既然是原理，概論就是難免的一環(huán)。簡單來說，空氣動力學(xué)就是研究和解決，飛”的問題的學(xué)科。所謂飛基本上可以理解為固體在氣體中的停留和運(yùn)動。我們知道地球上的物質(zhì)因密度和質(zhì)量分為固體、液體、氣體三種形態(tài)，密度和質(zhì)量越大重量（即受到地心引力）也就大，固體比液體、氣體的密度和質(zhì)量都大，因此離地心最近，“換算”成我們習(xí)慣的語言，就是在最“下面”。不用說，液體在固體'上面”，氣體又在液體“上面”。而固體、液體、氣體內(nèi)部”也按照這個(gè)原理排序，密度和質(zhì)量大的在“下面”，小的在上面（地效飛行器就是利用最下層即地表的高密度空氣）。因此，從物理學(xué)的角度看，地球就是一個(gè)以地核為中心的密度/質(zhì)量降序過程，離地核越遠(yuǎn)的密度質(zhì)量越小，所謂固體、液體和氣體只是想象而非本質(zhì)。有了這樣一個(gè)基本原理，“飛”和“飄”就可以解釋為密度和質(zhì)量相對大的固體與密度和質(zhì)量相對小的氣體的'降序”關(guān)系發(fā)生的顛倒，比如說：“飛”來一塊石頭，“飛”來一顆炮彈，等等，就都是固體跑到了氣體“上面”，把我們前面說的，地核降序關(guān)系”變成的“升序關(guān)系”。由于固體特有的可塑性，人類可以根據(jù)不同的'飛”的需要把不同的固體材料加工成不同的形狀。材料和形狀的選擇通常是出于兩種'飛”的需求，一種是速度需求，另一種是滯空時(shí)間需求。高速度需要材料的密度/質(zhì)量盡可能地大（因?yàn)楣腆w的密度質(zhì)量越大，空氣的密度/質(zhì)量就相對越?。┖图?xì)長的形狀（對空氣的壓力大，壓強(qiáng)?。枰咚俣鹊淖訌椞貏e是貧鈾穿甲彈就根據(jù)這兩項(xiàng)原理選擇材料和形狀的。滯空時(shí)間對材料和形狀的要求正好相反，材料的密度/質(zhì)量越小，越接近空氣的密度質(zhì)量越好（就是輕），形狀要扁寬（對空氣壓強(qiáng)大，壓力?。?。所有翅膀都是按照這兩項(xiàng)原理選擇材料和形狀的，不論是鳥的翅膀（羽毛屬于極輕的材料）還是飛機(jī)的翅膀，而最能體現(xiàn)追求滯空時(shí)間的鳥和飛機(jī)的是鷹和滑翔機(jī)。動力飛機(jī)是既追求速度，又追求滯空時(shí)間的'固體”，因此形成了“雪茄煙”加翅膀的矛盾統(tǒng)一體，既包含了了一個(gè)細(xì)長的機(jī)身，也包含了一個(gè)扁寬的翅膀。當(dāng)然這只是一個(gè)一般值或者平均值，因?yàn)閯恿︼w機(jī)中也強(qiáng)調(diào)速度和強(qiáng)調(diào)滯空時(shí)間之分，所以就出現(xiàn)了不同長（機(jī)身）寬（機(jī)翼）比的飛機(jī)。但是，僅僅滿足了這兩個(gè)條件，只能是外行認(rèn)為能飛，到了內(nèi)行眼力就不能飛了。要讓內(nèi)行覺得能飛，就還要加上符合空氣動力學(xué)原理的“翼型”，而我畫的飛機(jī)缺的就是這一項(xiàng)。我在中華軍備論壇見到過兩位畫飛機(jī)的網(wǎng)友，被“內(nèi)行”網(wǎng)友指出不能飛，都犯了我當(dāng)時(shí)犯的錯誤。至于一些網(wǎng)友說認(rèn)為我畫的飛機(jī)不能飛，那純粹是由于無知加上別有用心。中華軍備的斑竹之一海外駐軍是學(xué)航空發(fā)動機(jī)的，在飛機(jī)的空氣動力學(xué)原理上肯定屬于內(nèi)行行列，前面說的兩位網(wǎng)友畫的不能飛的飛機(jī)，其中一架就是他指出的。他也看過我在美國畫的飛機(jī)，竟然沒有一架讓他說不能飛。這次我畫的雙體機(jī)，在軍備論壇引起罵聲一片，或多或少都包含了認(rèn)為不能飛的意思，但這位大內(nèi)行一句不能飛的話都沒說。下面我就講講“翼型”的空氣動力學(xué)原理。二、什么是能產(chǎn)生升力的，翼型”內(nèi)行區(qū)分一架紙上的飛機(jī)能不能飛，關(guān)鍵是看飛機(jī)的'翼型”是否符合升力的原理，符合之后，才能考慮到風(fēng)洞去測試。那么什么樣的翼型是符合升力原理的翼型呢？飛機(jī)的翼型是多種多樣的，如直翼、后掠翼、前掠翼、三角翼，等等。不論采取那種翼型，都必須是下平（機(jī)翼橫剖面是直線上?。C(jī)翼橫剖面是曲線），弧面的曲率由飛機(jī)速度來決定，速度越快，曲率越小，速度越慢，曲率越大。曲率越大，機(jī)翼越厚，反之則越薄。這樣，給人的直觀感覺就是，越快的飛機(jī)翅膀越薄，越慢的飛機(jī)翅膀越厚。不懂升力原理的人，通常會認(rèn)為那是出于結(jié)實(shí)和空氣阻力的考慮，因此即便明明看到下平上弧，也會因?yàn)椴恢榔渖ψ饔枚雎浴Ｄ敲礊槭裁聪缕缴匣【湍墚a(chǎn)生升力呢？還是一個(gè)空氣密度問題。我們先把分別從機(jī)翼上下經(jīng)過的空氣看成人數(shù)相等的兩只軍隊(duì)，要用同樣的時(shí)間從機(jī)翼前端到達(dá)機(jī)翼后端。由于在直線距離相等的情況下，曲線比直線長，而兩只“軍隊(duì)”又?jǐn)?shù)兩相等并且要在同樣的時(shí)間內(nèi)通過同樣的直線距離。這就必然導(dǎo)致曲線通過”的要“直線通過”的速度快，并因?yàn)?曲線分布”而比“直線分布”密度低。再簡單一點(diǎn)，就是同樣時(shí)間同樣距離，跑彎道的運(yùn)動員要不跑知道的速度快；同樣的距離同樣的人數(shù)等距離排列，排成曲線要比排成直線密度低。上下速度不同會拉出“尾漩”，上下密度不同會產(chǎn)生升力。氣流的尾漩不容易看到，可以通過水流的尾漩來觀察，這也是流體力學(xué)與空氣動力學(xué)的相通相同之處：當(dāng)河流的一側(cè)平直，一側(cè)突出的時(shí)候，在突出部分的“尾部”就會出現(xiàn)旋渦。由于這個(gè)問題不是本文的重點(diǎn)，我自己對這方面的了解和理解也很欠缺，所以到此打住，話題回歸機(jī)翼上下的空氣密度不同所產(chǎn)生的升力作用。我們前面談到固、液、氣因密度質(zhì)量關(guān)系形成對地心的'降序排列”的時(shí)候，沒有講密度/質(zhì)量大的物質(zhì)體對密度質(zhì)量小的物質(zhì)體的擠壓作用。這種擠壓作用在自然界的表現(xiàn)就是我們講的物質(zhì)按密度質(zhì)量大小的上下排序，密度/質(zhì)量大的（固體）自然，擠”到下面，密度/質(zhì)量?。怏w）的就被'壓”到上面，因此，擠壓現(xiàn)象不大常見，只有自然力或人類活動改變了這種排序時(shí)，密度/質(zhì)量大的物質(zhì)體對密囹質(zhì)量小的物質(zhì)體的機(jī)要作用才有比較明顯的表現(xiàn)，比如建筑物的下沉問題和為避免這一問題而加固地（的）基（楚）。液體和氣體有固體所不具備的流動性，這兩種流體的一個(gè)共同特征就是密度高的部分?jǐn)D壓密度低的部分，從而造成定向流動。開水現(xiàn)象就是因密度/質(zhì)量相對大的上面的水，不斷擠壓因受熱膨脹而降低了密度/質(zhì)量的水，從而導(dǎo)致了水的降力”定向流動：“水開了”。運(yùn)動中機(jī)翼造成的空氣密度/質(zhì)量差則正好相反，是下面的空氣的密度質(zhì)量大于上面，于是就形成了下面的空氣擠壓上面的空氣的升力”定向流動，又由于上下空氣之間隔著機(jī)翼，于是空氣的升力”定向流動只能通過機(jī)翼間接實(shí)現(xiàn)，于是乎機(jī)”就“飛叮。一般說來，速度越慢的飛機(jī)，對機(jī)翼升力的依賴越大（早期飛機(jī)普遍采取雙層機(jī)翼，甚至三層機(jī)翼，這樣有利于在同樣升力的情況下，盡量縮短機(jī)翼長度，在減少單一占有空間面積的同時(shí)，降低對機(jī)翼材料強(qiáng)度的要求），因此起飛滑跑距離反而短。速度越快的飛機(jī)，越依賴速度對地球引力的，抵消”，快到一定程度就可以無翼起飛，導(dǎo)彈就是這種無翼“飛機(jī)”。超音速戰(zhàn)斗機(jī)是一種介乎螺旋槳飛機(jī)和導(dǎo)彈之間的飛行物，氣動原理也是二者的融合與妥協(xié)。由于超音速飛機(jī)的產(chǎn)生本身就是追求飛行速度的結(jié)果，因此其早期氣動結(jié)構(gòu)有明顯的火箭化趨勢，F(xiàn)104的設(shè)計(jì)師則明確提出“載人火箭”的設(shè)計(jì)理念。這種火箭化在翼型設(shè)計(jì)上的表現(xiàn)，就是從直翼變?yōu)楹舐右?，又從后掠翼變成三角翼，其結(jié)果當(dāng)然是飛行性能和安全系數(shù)的下降（如果說低速的螺旋槳飛機(jī)基本上等于一架有動力的滑翔機(jī)的話，三角翼超音速戰(zhàn)斗機(jī)就基本上是F104所追求的“載人火箭”。因此在同樣失去動力的情況下，螺旋槳飛機(jī)能依靠起寬大機(jī)翼進(jìn)行'滑翔”，“載人火箭”當(dāng)然就會像火箭那樣扎向地面）。此外還有起降滑行距離的延長和由此導(dǎo)致的跑道的延長?？勺円盹w機(jī)代表的人們對飛機(jī)'火箭化”帶來的種種弊端的認(rèn)識和補(bǔ)救，它們有美國的F111、前蘇聯(lián)的米格23，稍后又有進(jìn)氣道上升力化，如F14/15、圖-22、歐洲的狂風(fēng)等，并最終演變?yōu)镕18的翼前邊條。此外還有翼身融合（F16、米格29、蘇37、B-1、圖160）和多種措施并用。無論是進(jìn)氣道上端的升力化極其衍生