寻找最完美的机翼

2020-08-22    作者:数据删除

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By Peter Garrison
Air & Space Magazine
February 2019
数据删除 译
内容与配图有改动和增补

  一对完美的机翼应该是厚的还是薄的?椭圆形还是方形的?笔直的还是打弯的?这些其实都无关紧要。

两款在二战中都表现上佳的战斗机,超马林喷火(左)与北美P-51“野马”(右)却具有轮廓大相径庭的主翼和水平尾翼
两款在二战中都表现上佳的战斗机,超马林喷火(左)与北美P-51“野马”(右)却具有轮廓大相径庭的主翼和水平尾翼

  第二次世界大战爆发之前的英国和德国航空工程师之间其实还保持了不错的友好关系,“喷火”的主设计师雷金纳德•米切尔就曾向德国的恩斯特•亨克尔发去贺信,祝贺他的He 70“闪电”试飞成功。设计于1932年的“闪电”是一架五座的高速邮政机,有着两个值得注意的特点:一对呈椭圆形的主翼,以及它由沉头铆钉铺装成的、光滑的机身表面。“即使是我们投入施耐德杯比赛中的飞机都未曾有过如此光滑的线条。”米切尔在给亨克尔的信中这样写道,同时他还提及,一架罗尔斯罗伊斯获得的“闪电”换装了他们810马力的“红隼”发动机后“明显地比我们的战斗机还要快。”

亨克尔He 70,光洁的机身在阳光照耀下的反光和圆润的机翼轮廓清晰可见
亨克尔He 70,光洁的机身在阳光照耀下的反光和圆润的机翼轮廓清晰可见

  考虑到当时英国装备的战斗机都是已经落伍的双翼飞机,恐怕亨克尔对这一对比结果并不会感到多么满足。但米切尔对流线型的He 70大方的称赞却在后世被人添油加醋,变成了“喷火”战斗机抄袭或被He 70设计所影响的“证据”。

  不过多年之后,主要负责过“喷火”主翼设计的加拿大裔空气动力学家比佛利•申思顿站出来坚决地否定了这一指控,指出椭圆形机翼在当时就已经被应用于其他多种飞机上,而且这一设计的优势在当时就已经广为人知。

  的确,早在1907年流体力学先驱兰彻斯特就已经成功发现并论述了椭圆形机翼的优势和原理。申思顿同时还表示,由于“喷火”之前稍早的前身设计性能毫无亮点,米切尔在“喷火”本身设计伊始就已经决定改用相对厚度较薄的翼型截面。但如此一来传统的笔直渐缩的机翼中段就会变得很薄,无法放置皇家空军已经预先要求的每侧4门.303口径机枪。而椭圆形机翼直到靠外侧时才开始明显渐缩,这样刚好让机枪可以被合适地安装在机翼内部。按他所言,“只要能把机枪塞进去,我才不在乎机翼是椭圆形的还是什么东西!”这就是米切尔当时的原话。

1934年时超马林内部的设计方案之一(No.30000 sheet 11),可以看到此时的设计图已经基本符合后来“喷火”的总体布局,但依然使用较厚的梯形圆翼尖机翼,同时也可以注意到武器安装的位置
1934年时超马林内部的设计方案之一(No.30000 sheet 11),可以看到此时的设计图已经基本符合后来“喷火”的总体布局,但依然使用较厚的梯形圆翼尖机翼,同时也可以注意到武器安装的位置

  尽管如此,这样一个特色显而易见的成功个案依然很快就会开始影响其他人。至少从理论上说,椭圆形机翼设计所谓的优势就是能够产生最小的诱导阻力,也就是机翼诱导空气产生升力时所造成的阻力。诱导阻力是除了蒙皮与空气摩擦产生的寄生阻力和飞机飞过时在机身后产生的湍流涡造成的后体阻力外的另一种阻力,它会在飞机减速、机翼攻角增大时变大,所以诱导阻力的大小主要影响爬升率和高过载机动时的性能;另一方面,寄生阻力则主要影响飞机的最高速度。而兰彻斯特发现的法则就是当机翼沿翼展方向的升力分布呈椭圆形时就可以得到最小的诱导阻力,并用一套方程完成了对这一发现的证明。(译注:文中提到的这一法则实际上就是一个由普朗特-兰彻斯特升力线理论继续推导而产生的结果,这一理论首次提出了运算一个翼展有限的真实的机翼的升力分布和大小的方法;比兰彻斯特的发现稍晚些时候,普朗特也在德国方面发表了类似的理论和发现,本理论最终因此得名。)

1918年普朗特发表的《机翼理论》一文中就已经对一个实际的翼型求解出了使升力分布最优化的机翼形状轮廓,和后来各型飞机采用过的椭圆形机翼已经基本完全相同
1918年普朗特发表的《机翼理论》一文中就已经对一个实际的翼型求解出了使升力分布最优化的机翼形状轮廓,和后来各型飞机采用过的椭圆形机翼已经基本完全相同

  但这些都只是美好的理想,而现实总是残酷的。现实中的飞机还会有机身、发动机舱、控制面的缝隙、机翼下的散热器、进气口和武器配置等等装置,所有这些都会让实际的升力分布离一个理想的椭圆形渐行渐远,对完美设计的追逐不可避免地已经输在了起跑线上。

  无论如何,椭圆形的玄学依然在流传。霍克“海怒”用上了椭圆形的机翼,但是似乎没有得到如同“喷火”那样精致的设计;共和飞机公司的创始人亚历山大•赛维尔斯基和他的主设计师亚历山大•卡特维利则为共和战前的P-35和之后的P-47战斗机选定了一种前缘平直、翼梢圆滑、后缘则呈半椭圆形的机翼设计,这样就在保持椭圆形的面积分布的同时,回避了复杂的机翼前缘曲面带来的生产难度。

霍克“海怒”战斗机。可以注意到不再严格沿椭圆形轨迹的翼尖形状,以及突出机翼前缘的散热器进气口
霍克“海怒”战斗机。可以注意到不再严格沿椭圆形轨迹的翼尖形状,以及突出机翼前缘的散热器进气口

P-47的前缘平直而后缘圆滑的机翼设计,实际上不仅是共和,P-35的原始设计还影响到了远在意大利的雷贾尼,Re 2000系列战斗机也一直沿用了这种机翼形状
P-47的前缘平直而后缘圆滑的机翼设计,实际上不仅是共和,P-35的原始设计还影响到了远在意大利的雷贾尼,Re 2000系列战斗机也一直沿用了这种机翼形状

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