1981年 6月138期上一篇下一篇

#發行日期:1981、06

#期號:0138

#專欄:

#標題:前掠翼飛機的展望

#作者:李福生

後掠翼的得失

前掠翼的瓶頸

前掠翼的特點

結語

「我將於五十年後死去」發現相對論之愛因斯坦預測自己的壽命──不正確

:通用動力飛機公司依F-16戰鬥機原有的型架所完成的前掠翼飛機模型。

圖一:後掠翼發生扭轉時,機翼前緣向下,攻角變小,減低機翼上的負荷。前掠翼扭轉時,機翼前緣翹起,攻角增加,機翼上的負荷隨之增大。

圖二:複合材料在減輕飛機重量的貢獻上,前掠翼比後掠翼理想得多。而且當前掠的角度愈大時,減輕的效果愈顯著。

圖三:在高攻角時,後掠翼為了避免翼端失速,攻角不敢抬得過高,因此翼端以外的部分無法達到最大升力值。前掠翼則無翼端失速之虞,所以翼端以外的部分能獲得充分的升力。

圖四:後掠翼截面積變化率的曲線上,前翼和機翼間的凹陷可由機翼前掠而填平,使得曲線較為平滑,減少飛機的阻力。

圖五:洛克威爾飛機公司的前掠翼飛機模型,與依傳統式設計的後掠翼飛機相較下,型體減小了20%。

圖六:格魯曼飛機公司所完成八分之一比例的前掠翼飛機模型。

圖七:前掠翼飛機模型在風洞中進行試驗。

:李福生現就讀於台灣大學機械研究所。

 

 

 

 前掠翼飛機的展望


航空工業的發展,從超越音障後有超音速飛機問世以來,一直是進步神速。由於氣體動力學、結構理論、噴射推進學等的蓬勃發展,更加快了它的腳步。若在二十年前,人類想僅憑著雙腳踩腳踏車踏板,就能御風而行,這可能還是個夢幻,然而四年前人力飛機發明了。在完成1.85公里的8字形飛行後,得到了86,000美元的獎金,兩年後,更飛過英吉利海峽再賺了21萬美元。曾幾何時,在去年的八月,太陽能飛機也隨之誕生了。這是54歲的麥克科瑞迪個人的努力成就,也是航空史上的重大收穫。

仰望頭上呼嘯而過的飛機,銀色的機身、後掠的翅膀,姿態瀟灑地凌雲而去。你可曾想過,也許有那麼一天,它厭膩了這個姿態,把雙翼往前一伸,再度往來於無垠的天空中?美國的先進防禦計畫研究機構,早在幾年前就已決定進行探討前掠翼(forwardswept wings)飛機的發展潛能,並與通用動力公司(F-16戰鬥機製造廠)、格魯曼公司(F-14海軍飛機製造廠)及洛克威爾公司(B-1轟炸機製造廠)簽訂契約,委託他們從事分析研究的工作。如今,已完成風洞試驗,如果一切進行順利,該機構打算在1980年年底與其中一家公司簽約,生產一架前掠翼的飛行示範機。

前掠翼飛機並不是一個新構想,早在二次世界大戰末期1944年時,四引擎的Ju287噴射轟炸機已採用前掠15°的機翼。到了1963年,德國的HFB-300噴射客機也採用了機翼前掠的構想,可見人們在很久以前,就明瞭前掠翼的優點。然而為何當年沒有繼續發展,如今卻又再度受到重視呢?在回答這個問題之前,先讓我們了解機翼後掠的由來。

後掠翼的得失

當飛機的飛行速度接近音速而尚未達到音速時,在上機翼面的某一點,由於局部加速而使氣流速度達到音速,此時的飛行馬赫數(馬赫數=飛機速度/音速)稱為臨界馬赫數。當飛機的飛行速度超過臨界馬赫數時,在機翼的上表面會產生震波,使得飛機的阻力突然增大許多。如果機翼採用後掠式,則臨界馬赫數可以提高,換言之,飛機可以更快速地飛行,而避免過早產生震波。所以,高速的次音速飛機及超音速飛機,都採用後掠翼。同時由實驗顯示,後掠翼飛機作穿音速飛行時,它的阻力係數增加率比無後掠翼的飛機低了許多。

然而後掠翼也有缺點:一、由於翼展方向的負荷分布在翼端較大,而且翼端有邊界層的疊積,所以產生翼端失速(tip-stalling),造成機頭上仰的趨勢,使飛機陷入縱向不穩定的姿態。二、後掠翼通常具有較低的展弦比,因而在高攻角時,增加了誘導阻力(induced drag)。三、空氣動力學的特性在翼端較差,所以後掠翼飛機的側向控制較不理想。

前掠翼的瓶頸

前掠翼的缺點主要在於結構上的不穩定。機翼承受負荷時會發生撓曲,當機翼後掠時,機翼的後緣會相對於前緣翹起(見圖一)。此種機翼扭曲造成機頭下俯,減少飛機的攻角,因而減少機翼的負荷,使飛機趨於穩定狀態。然而對前掠翼飛機而言,機翼的前緣相對於後緣翹起(見圖一),機翼的扭曲再造成機頭的上仰,增加飛機的攻角,導致機翼的負荷增加。這種結構上的不穩定稱之為發散性,隨著前掠角度的增加,這種趨勢更加顯著。為了克服發散性,勢必要增強機翼的強度,因而造成沈重的機翼,導致全機的重量增加,影響飛行性能。這就是前掠翼飛機發展遲滯的主要原因。

近年發明的複合材料(見圖二)已廣泛地運用在飛機上,它的質地堅固、重量輕,對於材料的選擇和改良有很大的貢獻。複合結構能夠克服發散性的困擾,改變機翼蒙皮上碳纖維的方向及蒙皮的厚度,能夠控制機翼撓曲軸的方向,因而控制了機翼在承受負荷時的扭曲情形,使機頭下俯,造成穩定的狀況。

前掠翼的特點

為什麼前掠翼的構想又被舊話重提呢?最主要是它的確比後掠翼有效,其次是複合材料的發明克服了結構過重的難題。基本上而言,前掠翼具有以下的特點:

一、由於後掠機翼的漸縮(taper)和渦流效果(vortex effects),使得機翼的外端承受著較內端為大的負荷,因而在機翼的其他部分尚未達到最大攻角時,翼端已先發生失速的現象,阻撓了機翼的其他部分獲得最大升力。然而對於前掠翼而言,當機翼的其他部分都發生失速時,翼端仍是很正常的,因此前掠翼較後掠翼有著更大的升力(見圖三)。

二、前掠翼沿著翼展方向具有較佳的升力分布(見圖三)。後掠翼在設計時,通常考慮巡航狀況下,在機翼上造成橢圓形的負荷分布,使得誘導阻力降至最低。在高攻角時,機翼外端的負荷快速地增加,誘導阻力亦隨之增長。前掠翼在達到最大升力時,機翼上方產生魔術般的負荷(見圖三),得到一個較佳的升阻比,使得空氣動力學的效率較後掠翼為佳。

三、在後掠翼上方會產生向外拉拔的流動,進而影響低速高攻角下的副翼功能。因而需要安置一些空氣動力學上的裝置,如邊界層阻板以阻止向外側的氣流,或渦流產生器以增加邊界層的動能等。然而前掠翼上則不會有向外拉拔的流動,因此當機翼的其他部分失速時,副翼仍能維持它的功能。

四、將飛機的水平尾翼移至機翼之前,稱為前翼(canard﹐見圖四)。由於配平狀態下前翼承受著向上的升力,所以使得飛機的控制性較佳,即飛機更易於作翻滾、爬升、俯衝、拉起等動作。更由於任務需要,採用此種設計的大都為戰鬥機,未來前掠翼飛機的設計,採用前翼更是一種必然的趨勢。在低速飛行時,機翼的控制面及高升力裝置產生額外的升力,造成額外的俯仰力矩,使機頭下俯;而前翼的升力則產生一個使機頭上仰的俯仰力矩,在兩個力矩大小相等,方向相反的配平作用下,使得機頭保持原來的航向前進。對後掠翼而言,由於控制面及高升力裝置距飛機重心較遠,產生的下俯力距較大,所以造成前翼的升力無法達到充分的配平功用,或者因而限制了高升力裝置的使用程度,以免升力過高,造成無法配平的下俯力矩。當機翼前掠時,高升力裝置及控制面與飛機重心的距離縮短了許多,也就沒有後掠翼原有的缺點,高升力裝置和控制面隨之可充分發揮其功能了。

五、飛機截面積的分布影響著超音速阻力。當沿著飛機縱軸方向的截面積改變率愈平滑(smooth)時,震波的效果減少,即降低了超音速阻力,我國空軍使用的F-5E戰鬥機,機身中間縮入的蜂腰設計,即著眼於此。由圖四可明顯地看出,前掠翼的截面積分布曲線較為平滑,沒有突起突降的情形發生,因此阻力小了許多,而且接近飛機重心的曲線變成傾斜,所以可將燃油或者航空電子裝置安排於靠近重心的位置,如此可以避免在遠離重心的位置再加上平衡的配重。

結語

F-16是目前公認的優良輕型戰鬥機,如果採用前掠翼設計的話,會有那些改良呢?前掠翼可比後掠翼產生較高的升力,或者如欲產生一樣的升力,前掠式所需的翼面來得小些。前掠翼的阻力較小,且低速降落時的控制力高些,使降落所需的跑道距離縮短。同時高升力裝置的使用能力增加,也縮短了起飛時所需的跑道距離。此外,它還減少了超音速阻力,改善了重量的分布。根據以上的特點,我們能有兩項選擇:一、依照F-16原來的大小,而在性能上有大幅度的改進。二、維持F-16一般的性能,而使得飛機小一些。

根據洛克威爾公司所製成的一比一前掠翼飛機模型(見圖五),就比傳統上設計的飛機尺寸小了20%之多。通用動力公司根據F-16原有的構架,採用前掠翼設計所完成的原型機(見刊頭圖),將具有更佳的性能。格魯曼公司的八分之一前掠翼飛機模型,亦經由國家航空及太空總署完成低速和高速的風洞試驗(見圖六、七)。經由試驗數據顯示:前掠翼飛機的重量較輕,在給定的油料及負荷下航程較遠,同時在超音速時能進行緊湊的轉彎。

新一代的戰略飛機,著眼於體型小及重量輕的改進。使用高展弦比、固定的翼弦、前掠翼和前翼的配合、保持70%左右一致的機身(constant fuselage sections)等,都能有效地增加飛行效率。展望未來十年內,這種性能優良的前掠翼飛機能在蔚藍的天空中翱翔。

參考資料:

1. G. Warwick, “Forward Sweep-Rockwell's New Broom”, Flight International, November17, 1979.

2. “Forward-Swept Wing Potential Studied”, Aviation Week & Space Technology, January29, 1979.

「我將於五十年後死去」發現相對論之愛因斯坦預測自己的壽命──不正確

石煇然

(時間1931年)

發現相對論原理之愛因斯坦博士,看起來像個學者,他曾說了些頗富「暗示」及「不易領教」之事,目前外國報章在傳聞評判他的話。

他的話柄是,前些日子愛因斯坦被英國牛津大學邀請去做了一次演講。之後他接受了一位教授招待的午餐。餐後和一些學界人士一邊喝咖啡一邊閒聊。席間一位婦人忽然問愛因斯坦道:「博士先生是否相信相對論永遠是正確的?」對這位大學者而言,這一句話問得很恰當。可是這問題卻出自一位婦人,令他感到有一點意外。博士先生卻微笑地回答說:「當然的事,我以它為正確的信念,繼續在研究中。可是我的原理被證明為正確之時,應該是我死的那1981年」。他的回答非常堅決,一點也不躊躇,這位婦人及教授們都大吃一驚。「那麼博士先生確無錯誤,一定會在1981年死去嗎?」這句應該是那婦人接下去該問的話,但是她並沒有這樣問,婦人轉個口氣問道:「博士先生,這句話的道理何在?」這一下愛因斯坦慢慢地回答了:「噢!沒有什麼,」他接著說,「當我死了,而假如我的主張是正確的話,德國人就會說我是德國人,而法國人大概會說,那個傢伙是猶太人。同時,假若我的主張是錯的,德國人會說我是猶太人,法國人大概就會說那個傢伙是德國人。」愛因斯坦說他自己會在1981年死的科學根據,無從考察起,可是假如德國人說愛因斯坦是德國人時,相對論原理是正確的,這一句話倒是證明愛氏有洞燭機先的先見之明了。

順便提的一件事便是,愛因斯坦已將他的國籍從德國轉移到瑞士,所以他現在是瑞士人。這位博士現今五十一歲,而他自己說他將於1981年死去,則他尚可活五十年,總共他的生命就達一百多歲,從這一點看來,愛因斯坦是有一點貪心了。

註:本文材料取自台灣日日新報昭和六年(1931年)7月30日。

 

 

 
   

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