运20驰援上海,很威风,看视频,至少来了5架。我有幸曾经登上过运20,当时非常激动,脑门冒汗。

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如果你关注胖妞运20,在介绍飞机时,经常出现一个词:超临界机翼。有人就好奇,这超临界机翼到底是个啥?超临界超的又是个什么“界”?超临界机翼相比普通机翼,有啥不一样?

说到激波,也就是飞机前面那堵“空气墙”,你会想到一个词:“声障”。人们开着飞机,吃着火锅唱着歌,使劲给油,发现飞机才刚刚接近音速,还没到音速呢,就已经遇到很大的阻力了,再加速很难,而且机身会抖动。

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出现这种情况,就是因为飞机周围的空气,它流动速度是不一样快的。机头的空速管测出来的空速,马赫数只有0.9,甚至只有0.8,但是机身附近有些地方的空气流速,很可能已经超音速了。超音速,就产生激波,有激波,就会有激波阻力,进而造成气流混乱,飞机就会抖动。

现在的运输机,比如包括军用和民用,巡航速度一般都不会超过0.9个马赫,不会超音速。但是在这个速度下,机身附近也有可能产生激波。那如果产生激波的地方,正好在机翼上,你想想,会有什么影响?这几百吨的飞机能飞起来,全靠两个大机翼托着呢。如果机翼表面的气流混乱了,那可吓人了。

之前咱们讲飞机失速还记得不?飞机失速的本质不就是攻角太大,导致机翼表面气流分离,变得混乱,机翼它失去升力了嘛,会摔飞机的。那这个激波如果出现在机翼上,是不是也会造成机翼表面的气流混乱?再然后,轻则升力减小,更费油。重则……哎呀不敢想,身份证含嘴里吧。

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也正是因为机翼超声速造成的影响太大,所以在飞机设计时,还有一个专门的名词,叫临界马赫数。它指的是飞机机翼表面的空气流动速度正好达到声速时,此时飞机的飞行马赫数。很显然,如果机翼表面的空气流速刚刚到声速,肯定也是在上表面,本来上面的空气流速就比下面快嘛。

现在问题出现了,我开着飞机,如果飞得太慢,乘客要骂娘。如果飞得太快,飞行速度超过了临界马赫数,机翼上表面产生激波,飞机就会更费油,老板也要骂娘。那咋办?

谁出现问题,就解决谁。你机翼上表面不是容易超音速嘛,那我就先解决你。当然,工程师也不是老天爷,自然规律摆在那,谁也没办法。工程师能做的,就是尽量增大临界马赫数,或者说,尽量推迟机翼表面产生激波。

比如原来的飞机,飞行马赫数达到0.7,机翼表面就超音速了。也就是说,这个飞机的临界马赫数只有0.7。那我如果把飞机的机翼改一改,把临界马赫数增加到0.9,这飞机是不是就飞得快很多?骂娘的乘客也会少一点。

增大临界马赫数,这就是超临界机翼最大的用处。咋做到的呢?你看看超临界机翼和非超临界机翼有啥不一样。上面是普通机翼的翼型,下面这个是超临界机翼。一对比就能看出来,超临界机翼有两个典型的特点,一个是上表面比较平,另一个就是尾巴那里更弯。

上表面更平,也就是弧度没那么大,空气流过去,速度增加就不会有那么快。减缓了气流加速,自然也就能推迟激波的出现。不过,上帝是不可能随随便便给你开门的,激波是出现得更晚了,但是减小上表面的空气流速也会减小机翼的升力啊!升力不够咋办呢?那就把机翼的尾巴,也就是机翼后缘做成有弧度的。通过这种方式,可以增大机翼的升力。

刚才咱们说,把机翼表面做平点,可以推迟激波的出现。这个推迟,我理解有两层意思。第一层,可以增大飞机的临界马赫数,飞机可以飞得更快。第二层,机翼上表面出现激波的位置会更靠后,而且激波也相对弱一点。

激波更靠后有什么好处呢?你想,激波后面的气流比较混乱,会脱离机翼表面。那如果激波很靠后,气流脱离的位置不是也会更靠后嘛,这样对升力的影响就会更小。你看普通机翼(a)和超临界机翼(b)的上表面,分别出现激波的情况,普通机翼的激波更强,而且更靠前,就导致出现气流分离的区域占比很大。而超临界机翼就好多了,气流分离的区域占比要低很多,这样它对升力的影响也就小很多了。

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你设计一架飞机,肯定想让机翼的升力更大、阻力更小,也就是升阻比大一些。但是,升阻比大的飞机,它普遍巡航速度往往都不会太高,就是因为机翼上容易超音速,产生激波。也就是说,高升阻比和高巡航速度,是一个矛盾。但是,超临界机翼的出现,就很大程度上缓解了这个矛盾。

超临界机翼好不好?好!但并不是装每一架飞机上都好,鞋合不合适,只有脚知道。超临界机翼虽然有很多优点,但是它主要还是适合高速飞行的运输机。很多小飞机,比如著名的空中拖拉机,运5,巡航速度也就100多公里,你给它装个超临界机翼,没啥用,还给五爷整的怪紧张。

最后有必要强调一下,超临界机翼不是新东西,也好几十年了。1967年,美国航空航天局NASA提出来的。空客的处女作,1972年首飞的A300,就装了超临界机翼。后来出的火遍全世界的窄体机,A320,也装了。

中国研制的依然还在试飞阶段的C919,也应用了超临界机翼。至于另一个著名的窄体客机,波音737有没有装超临界机翼,我还真不确定。费了老大劲去查,也没查到什么权威信息。谁有靠谱的渠道,欢迎在评论区指条路啊,感谢!

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