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歼-20少了这根“尖刺”你发现了吗?有哪些方面考虑

2019年09月30日 03:00 来源:北京青年报 参与互动 

  歼-20少了这根“尖刺” 你发现了吗?

F-117A“夜鹰”亚音速隐身攻击机在机头配置了4个全向大气数据探管

  今年是新中国成立70周年,据国新办消息称,今年的阅兵式将安排部分先进武器装备首次亮相,如果有先进战机掠过长空,大家不妨观察一下它们的空速管。

  超音速军用飞机炫酷的外形令很多军迷着迷,它也差不多是现在速度最快的航空器。在超音速飞机的图片中,我们经常能看到飞机的机头部位有一根长长的“尖刺”,比如米格-29,而歼-20的机头却少了这根“尖刺”。这两种设计的区别在哪里呢?我们要先从这根“尖刺”是什么说起。

  “尖刺”是什么?

  这根“尖刺”是什么?江湖上流传着很多关于它的传说:跟敌人拼刺刀用的!还能避雷!突破音障全靠它!其实没有那么玄幻,这根“尖刺”的大名叫空速管。

  飞机能够飞上天,依靠的是流过机翼表面的高速气流产生的压力差,气流与飞机相对速度的大小是升力的决定性因素之一。这个相对速度叫做“空速”,是飞行的重要参数,知道这个参数才能知道当前的升力、阻力等数据,进而可靠地操纵飞行器。空速管承担的就是测量空速的重要工作。

  空速管由两个套在一起的细管组成,一个与外界连通,获得当前环境的气压;一个直直地迎着风,感知气流吹来造成的总压。两个细管间的压力差造成膜盒变形或液柱高差,就能具象地指示出当前的空速。

歼-10B的L形空速管

  那为什么空速管要安装在飞机头的部分,又被做成“尖刺”的形状呢?

  这是因为在飞行中,机身周围的气流会被飞机“推开”,这部分受到飞机影响的气流并不能体现出真正的空速。为了测量到不受影响的气流,空速管一般被放置在飞机的前端,并尽量离开机体一段距离,这就是空速管常被做成长长的“尖刺”状的原因。

  超音速是谁的功劳?

  但正是因为空速管通常被放在机鼻这个存在感极强的位置,并且几乎“机机必备”,出镜率极高,关于它的谜之传说也就流传开来了。

  但其实空速管的唯一作用就是我们前面说的,测量空速。

  要想突破音障进行超音速飞行,可不是空速管能解决的问题,它需要发动机和飞机整体气动外形一起配合,细长机身、后掠翼、超音速翼型等设计才是降低阻力的关键。要真说“突破音障”,还是要靠尖尖的机头。

  现在的新式战斗机已经采用尖头设计,进气道放在两侧或腹部,尖头有利于减小阻力,进行超音速飞行。

  但早期的超音速战斗机还采取机头进气的方法,机头圆钝,比如米格-21,这种机头阻力较大,它如何突破音障呢?

  答案就是机头进气道内的这个锥形,它的名字叫激波锥或者进气锥,能够破坏进气道处的激波。可以看到,相较于机头和激波锥的尺寸,空速管实在太小了,即使它“有心”破除音障也“无力”啊!

  “应该在车里还是在车底”

  亚音速飞机通常把空速管放在机翼或者垂尾前缘,超音速飞机则一般放在机鼻位置。

米格-29机头部位长长的“尖刺”

  但是既然知道了空速管的真正作用,我们也就知道,这些设计套路并不是不可违背的金科玉律,超音速飞机的空速管并不是必须放在机鼻位置。在具体的设计中,空速管的位置有很多选择,对同一机型来说,也有多种装备方法,按照需求而定。

  作为一种机械装置,空速管简便可靠,物美价廉,即使在二十世纪后半叶出现了新型的电子测速设备,空速管的地位仍然稳固,一架飞机通常要配备至少两套空速管装置,电子测速设备则通常仅作为备用。

  但是随着战斗机的发展,机头空速管变得越来越“碍事”了。我们知道,高空中气温很低,还有云团等水汽。为了防止结冰失灵,空速管都是金属材质,以便加热除冰。

  金属材质的空速管给安装在机头的雷达带来了一些麻烦,一方面是金属材质反射雷达波,给雷达探测造成干扰,需要在机头内安装额外的吸波材料;一方面是新型的机头雷达罩大多采用复合材料一次成型,强度不如金属机体,空速管继续安装在这里的话,容易引起基座变形,影响测量精度。而且,当今战斗机速度普遍提高,这一点也加剧了机头空速管的颤震。

  除此之外,新式战机对隐身性能的要求也越来越高。为了减小飞机的雷达反射截面,以增强隐身性能,飞机外形需要尽可能平滑、少尖角,长长的机头空速管显然对隐身非常不利。

  于是,出于气动、结构、隐身等各种性能的考虑,大家各出奇招,空速管被做成了各种形态。比如F-18和歼-10等机型都采用了在机头两侧安装多个L形空速管的设计。经过算法修正,L形空速管也能保证较高的测量精度。

歼-6的机头空速管可以向上折叠

  在海湾战争中一战成名的F-117A“夜鹰”亚音速隐身攻击机,在机头配置了4个全向大气数据探管,整合了测量空速、侧滑角、迎角等多种功能。

  F-35和歼-20都采用了嵌入式大气数据传感系统,这种测压方法使用压力传感器阵列加上算法修正,只需要开孔,而不需要安装外置的结构。

  值得一提的是,尽管使用了嵌入式大气数据传感系统,在试飞验证阶段飞机一般仍要保留空速管,用于收集数据,比如歼-20的原型机;在定型之后,歼-20的空速管就取消了。

歼-20机头前少了一根“尖刺”

  对隐身性能要求更高的B-2轰炸机干脆舍弃了传统的空速管,在风挡前方的机头部位安装了6组嵌入式大气数据传感器。

  2008年,一架B-2轰炸机在美军的关岛空军基地坠毁,原因是当地的潮湿气候导致飞机传感器故障,使得计算机提供的空速和高度数据严重错误,最终撞地坠毁。

  B-2较差的平衡性固然也是坠毁原因之一,但此次事件也显示了对计算机的依赖给飞机带来的风险,电传和计算机仍然不能完全取代空速管的作用。

  文/Aloysius

  来源/科学大院公众号

【编辑:周驰】

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