双体飞机的空气动力学原理与构思过程

双体飞机的空气动力学原理与构思过程2005-4-306:40:20中华网军事频道一、引子最近我画了几种双体战机，收到了很多负面回帖。去掉“SB”、“无聊”一类人身攻击不论，大概有两种需要本文做出解释的。一类是我在炫耀PS手段，于是很多回帖抨击图片质量，还有网友点名要我用PS把一张图片中一个坦克炮塔搞得能够旋转。另一类是认为我突然误入PS“玩家”的岐途，劝我知迷而返。要说是“玩”，第一不是现在，而是十年前我在美国读书的时候；第二是当时“玩”得的确认真，竟然跟一位北大物理系毕业的留学生学了半年空气动力学，并且得到了这位老师的高度评价，他甚至认为如果不是我理科底子太差，真应当去学物理。那么我是怎么开始画飞机的呢？在美国读书的时候，有一段时间我常看'探索频道”系列介绍美国各种飞机的研制，每一种飞机的研制过程，就是美国人把梦想变为现实的过程。我不是学文科的，对技术方面的东西既不很明白又缺乏兴趣。我所敢兴趣的，是美国人的脑子是怎么长的，怎么能够想出这么多希奇古怪的东东，我们中国人怎么就想不出来。在中国总听说是因为技术落后，但“探索频道”这套节目无可争辩地告诉我：“没有做不到的，只有想不到的'，而做的过程就是技术发展的过程。那么好，我也是中国人，我要是想不到就不要骂别的中国人是笨蛋。好再我学过画画，不愁想得出来，画不出来。刚开始画的时候，实在是令人气馁，怎么画也跑不出美国人造出过的飞机，就好象听了命令一样。于是我来了一个逆向思维：你机身不是瘦长形的吗？那我就来一个横宽，你不是个圆桶，我就来个变片，正好更适合飞行。这一时期我还常翻阅美国军事刊物，就在我认为也许有门了的时候，在一本杂志上看到了好几种翼身合一的飞机构想图，都比研制中的：82翼身融合度高，多数就是一个巨大的翅膀。在飞机设计史上，这就是挑战'雪茄烟”式的造型结构。但这次我没有完全失望，甚至有点得意：啊，我想到的也是他们正在想的，谁都还没有造出来呢。我画飞机，既不张扬，也不保密。有一次让前面提到的那位北大同学看到了，他提出了一个我从头就没想也不打算想的问题:飞机飞不起来。我当时回答他说，我只是在用自己测验中国人的想象力，飞的起来飞不起来是技术人员的事。我以为这样就算对他解释清楚了，没想到他来了一句，那就没必要了，星球大战那些东西，还有玩具飞机都想绝了，你不考虑能不能飞，就是在做那种事情，而且差得太远了。这可真把我憋了，也真让我为难了。幸亏他又补充了一段。真能不能飞，专家也不能打保票，不然要风洞干什么，但你至少要让懂的人看着能飞。其实空气动力学原理并不复杂，你又不要求在科学上逼近准确，大概像那么回事就行，应当不是什么多难做到的事情。我知道自己的理科底子太差，没想到这位，爷”竟然拍胸脯包我听得懂。好，引子说完了，下面我就把他讲的'科普级”空气动力学加上我的“科普级”理解讲给大家，讲完之后自然回引出双体机的空气动力学原理和特点。二、概论也许你会觉得我太过正经，但是既然是原理，概论就是难免的一环。简单来说，空气动力学就是研究和解决，飞”的问题的学科。所谓飞基本上可以理解为固体在气体中的停留和运动。我们知道地球上的物质因密度和质量分为固体、液体、气体三种形态，密度和质量越大重量（即受到地心引力）也就大，固体比液体、气体的密度和质量都大，因此离地心最近，“换算”成我们习惯的语言，就是在最“下面”。不用说，液体在固体'上面”，气体又在液体“上面”。而固体、液体、气体内部”也按照这个原理排序，密度和质量大的在“下面”，小的在上面（地效飞行器就是利用最下层即地表的高密度空气）。因此，从物理学的角度看，地球就是一个以地核为中心的密度/质量降序过程，离地核越远的密度质量越小，所谓固体、液体和气体只是想象而非本质。有了这样一个基本原理，“飞”和“飘”就可以解释为密度和质量相对大的固体与密度和质量相对小的气体的'降序”关系发生的颠倒，比如说：“飞”来一块石头，“飞”来一颗炮弹，等等，就都是固体跑到了气体“上面”，把我们前面说的，地核降序关系”变成的“升序关系”。由于固体特有的可塑性，人类可以根据不同的'飞”的需要把不同的固体材料加工成不同的形状。材料和形状的选择通常是出于两种'飞”的需求，一种是速度需求，另一种是滞空时间需求。高速度需要材料的密度/质量尽可能地大（因为固体的密度质量越大，空气的密度/质量就相对越小）和细长的形状（对空气的压力大，压强小），需要高速度的子弹特别是贫铀穿甲弹就根据这两项原理选择材料和形状的。滞空时间对材料和形状的要求正好相反，材料的密度/质量越小，越接近空气的密度质量越好（就是轻），形状要扁宽（对空气压强大，压力小）。所有翅膀都是按照这两项原理选择材料和形状的，不论是鸟的翅膀（羽毛属于极轻的材料）还是飞机的翅膀，而最能体现追求滞空时间的鸟和飞机的是鹰和滑翔机。动力飞机是既追求速度，又追求滞空时间的'固体”，因此形成了“雪茄烟”加翅膀的矛盾统一体，既包含了了一个细长的机身，也包含了一个扁宽的翅膀。当然这只是一个一般值或者平均值，因为动力飞机中也强调速度和强调滞空时间之分，所以就出现了不同长（机身）宽（机翼）比的飞机。但是，仅仅满足了这两个条件，只能是外行认为能飞，到了内行眼力就不能飞了。要让内行觉得能飞，就还要加上符合空气动力学原理的“翼型”，而我画的飞机缺的就是这一项。我在中华军备论坛见到过两位画飞机的网友，被“内行”网友指出不能飞，都犯了我当时犯的错误。至于一些网友说认为我画的飞机不能飞，那纯粹是由于无知加上别有用心。中华军备的斑竹之一海外驻军是学航空发动机的，在飞机的空气动力学原理上肯定属于内行行列，前面说的两位网友画的不能飞的飞机，其中一架就是他指出的。他也看过我在美国画的飞机，竟然没有一架让他说不能飞。这次我画的双体机，在军备论坛引起骂声一片，或多或少都包含了认为不能飞的意思，但这位大内行一句不能飞的话都没说。下面我就讲讲“翼型”的空气动力学原理。二、什么是能产生升力的，翼型”内行区分一架纸上的飞机能不能飞，关键是看飞机的'翼型”是否符合升力的原理，符合之后，才能考虑到风洞去测试。那么什么样的翼型是符合升力原理的翼型呢？飞机的翼型是多种多样的，如直翼、后掠翼、前掠翼、三角翼，等等。不论采取那种翼型，都必须是下平（机翼横剖面是直线上弧（机翼横剖面是曲线），弧面的曲率由飞机速度来决定，速度越快，曲率越小，速度越慢，曲率越大。曲率越大，机翼越厚，反之则越薄。这样，给人的直观感觉就是，越快的飞机翅膀越薄，越慢的飞机翅膀越厚。不懂升力原理的人，通常会认为那是出于结实和空气阻力的考虑，因此即便明明看到下平上弧，也会因为不知道其升力作用而忽略。那么为什么下平上弧就能产生升力呢？还是一个空气密度问题。我们先把分别从机翼上下经过的空气看成人数相等的两只军队，要用同样的时间从机翼前端到达机翼后端。由于在直线距离相等的情况下，曲线比直线长，而两只“军队”又数两相等并且要在同样的时间内通过同样的直线距离。这就必然导致曲线通过”的要“直线通过”的速度快，并因为'曲线分布”而比“直线分布”密度低。再简单一点，就是同样时间同样距离，跑弯道的运动员要不跑知道的速度快；同样的距离同样的人数等距离排列，排成曲线要比排成直线密度低。上下速度不同会拉出“尾漩”，上下密度不同会产生升力。气流的尾漩不容易看到，可以通过水流的尾漩来观察，这也是流体力学与空气动力学的相通相同之处：当河流的一侧平直，一侧突出的时候，在突出部分的“尾部”就会出现旋涡。由于这个问题不是本文的重点，我自己对这方面的了解和理解也很欠缺，所以到此打住，话题回归机翼上下的空气密度不同所产生的升力作用。我们前面谈到固、液、气因密度质量关系形成对地心的'降序排列”的时候，没有讲密度/质量大的物质体对密度质量小的物质体的挤压作用。这种挤压作用在自然界的表现就是我们讲的物质按密度质量大小的上下排序，密度/质量大的（固体）自然，挤”到下面，密度/质量小（气体）的就被'压”到上面，因此，挤压现象不大常见，只有自然力或人类活动改变了这种排序时，密度/质量大的物质体对密囹质量小的物质体的机要作用才有比较明显的表现，比如建筑物的下沉问题和为避免这一问题而加固地（的）基（楚）。液体和气体有固体所不具备的流动性，这两种流体的一个共同特征就是密度高的部分挤压密度低的部分，从而造成定向流动。开水现象就是因密度/质量相对大的上面的水，不断挤压因受热膨胀而降低了密度/质量的水，从而导致了水的降力”定向流动：“水开了”。运动中机翼造成的空气密度/质量差则正好相反，是下面的空气的密度质量大于上面，于是就形成了下面的空气挤压上面的空气的升力”定向流动，又由于上下空气之间隔着机翼，于是空气的升力”定向流动只能通过机翼间接实现，于是乎机”就“飞叮。一般说来，速度越慢的飞机，对机翼升力的依赖越大（早期飞机普遍采取双层机翼，甚至三层机翼，这样有利于在同样升力的情况下，尽量缩短机翼长度，在减少单一占有空间面积的同时，降低对机翼材料强度的要求），因此起飞滑跑距离反而短。速度越快的飞机，越依赖速度对地球引力的，抵消”，快到一定程度就可以无翼起飞，导弹就是这种无翼“飞机”。超音速战斗机是一种介乎螺旋桨飞机和导弹之间的飞行物，气动原理也是二者的融合与妥协。由于超音速飞机的产生本身就是追求飞行速度的结果，因此其早期气动结构有明显的火箭化趋势，F104的设计师则明确提出“载人火箭”的设计理念。这种火箭化在翼型设计上的表现，就是从直翼变为后掠翼，又从后掠翼变成三角翼，其结果当然是飞行性能和安全系数的下降（如果说低速的螺旋桨飞机基本上等于一架有动力的滑翔机的话，三角翼超音速战斗机就基本上是F104所追求的“载人火箭”。因此在同样失去动力的情况下，螺旋桨飞机能依靠起宽大机翼进行'滑翔”，“载人火箭”当然就会像火箭那样扎向地面）。此外还有起降滑行距离的延长和由此导致的跑道的延长。可变翼飞机代表的人们对飞机'火箭化”带来的种种弊端的认识和补救，它们有美国的F111、前苏联的米格23，稍后又有进气道上升力化，如F14/15、图-22、欧洲的狂风等，并最终演变为F18的翼前边条。此外还有翼身融合（F16、米格29、苏37、B-1、图160）和多种措施并用。无论是进气道上端的升力化极其衍生