回到未來!前掠翼飛機[25P]

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前掠式主翼(Forward Swept Wing，簡稱FSW)於二次大戰時由納粹德國發展..
 
所謂的前掠翼機以白話一點的方式說就是把沿著飛行方向八字型飛機主翼倒過來以倒八字型裝的飛機，而且把飛機的水平尾翼裝在主翼前，這種構型的飛機在接近音速時能有較好的機動性，不過在1970年代以前由於沒有線傳飛控跟複合材料，這個概念是不可行的，所以目前只有實驗機並無真正量產的飛機，最著名的就是Grumman的X-29以及Sukhoi的Su-47。


當直線翼飛機速度接近0.9馬赫時，飛機因遇到音障的阻力而令速度不能突破，德國人因而想到將機翼角度後掠或前掠，以延遲音障的出現。因此出現了全世界首架的前掠翼戰機 Ju-287 。
 
 
全世界首架的前掠翼戰機 Ju-287轟炸機

Ju-287最初的設計也是採用後掠翼，但由於後掠翼在低速時的飛行穩定性較差，會影響它的投彈精確性，加上想保有完整的炸彈艙，不致被機翼根部結構阻隔，綜合考慮下選擇了前掠翼。
 
 
不過Ju-287高速飛行時氣彈性發散的現象一直無解，容克斯設計局想以重新設計引擎位置，來克服或降低這個問題，但由於當時德國納粹亟需噴射戰鬥機來扭轉戰場上的劣勢，因此Ju-287轟炸機的發展計畫就此叫停，而當時一架正進行最後組裝中的改良型Ju-287，以及整個容克斯設計局的設備及工程師，在1945年春末被攻入德國的蘇聯軍隊擄回俄國。

 
 
蘇聯擄回了改良型Ju-287以及整個容克斯設計局後，利用Ju-287的機體繼續進行前掠翼噴射轟炸機的研發，並命名為EF 131（EF是俄文Entwicklungs Flugzeug的縮寫，意思是研發型飛機）。

 
EF 131，蘇聯利用Ju-287進行前掠翼噴射轟炸機的繼續研發..EF 131採用6引擎，外型很類似Ju-287，機翼前緣前掠19°50'，1947年5月23日首飛。

由於當時蘇聯也正進行其他新型飛機、引擎的研發工作，因此EF 131大部分時間都停留在地面上。1948年EF 131研發計畫取消，由性能更好的Type 140研發案取而代之。
 

Type 140原本是容克斯設計局私下進行的研發，為了克服EF 131引擎性能不足的問題，Type 140採用2具推力較大、使用壽命較長的新型噴射引擎，1948年9月20日首飛。Type 140還有Type 140R（偵察型）及Type 140B/R（轟炸／偵察兩用型）這兩種構型，但由於這型飛機不是純蘇聯血統，因此研發成果僅用來提供蘇聯後續發展噴射轟炸機之用，加上後來一直無法解決高速飛行時前掠翼氣彈性發散的問題，因此最後也難逃被終結的命運。
 
二戰結束後蘇聯發展的Type 140前掠翼轟炸機


前掠翼設計，單單就機翼而言，前掠根後掠的特性幾乎一樣，但前掠翼可以將氣流導引到機身內側，而飛機失速通常是從氣流末端開始，因此前掠翼飛機會從機身內側開始失速，而機翼兩端還可正常控制，因為是兩端可以控制所以其控制力矩叫後掠是飛機大，這究事前掠翼飛機不容易失速的原因，再加上理論上前掠翼具備穿音速阻力小，機動力高等優點，因此前掠翼曾經是航空界的一顆星，美國以F-5修改成X-29實驗機，俄羅斯中央流體力學研究院也進行了前掠翼的理論研究，後來催生出蘇或設計局的S -37。但是，美國在X-29實驗後，放棄了前掠翼戰機，因為前掠翼的匿蹤能力不好，當時製造技術不足以量產前掠翼，以及前掠翼高速阻力突然增大，並且在高速時生利效果變差‧‧‧等幾大原因。在製造技術方面，前掠翼的製造需要用到複合材料一體成形技術，美國在與日本合作生產F-2後從日本那裡學到這項技術，所以說因為技術問題不用前掠翼也是個不算小的因素。

隨便問一個軍機迷：〝你對前掠翼有什麼印象〞，十之八九會回答：〝美國的X-29已經證明他不行了〞。之所以說〝不行〞其實與高速時遭遇的問題有關。與傳統後掠翼相比，前掠翼具有以下的優勢：
結構優勢：
前掠翼結構可以保障機翼與機身之間更好地連接，並且合理地分配機翼和前起落翼所承受的壓力。這些優勢用其它方法很難達到或者不可能達到，它大大提高了飛機在機動時、尤其是在低速機動時的氣動性能。此外，前掠翼的結構設計，還可使飛機的內容積增大，為設置內部武器艙創造了條件，同時也大大提高了飛機的隱身性能。

機動優勢：
前掠翼技術可使飛機在亞音速飛行時具有非常好的氣動性能，從而大大提高其在仰角狀態下的機動性。若前掠翼佈局與推力向量控制系統綜合使用，還可使其在空戰中更具優勢，其近距空戰機動能力將成倍地提高。

起降優勢：
與相同翼面積的後掠翼飛機相比，前掠翼飛機的升力更大，載重量增加30％，因而可縮小飛機機翼，降低飛機的迎面阻力和飛機結構重量；減少飛機配平阻力，加大飛機的亞音速航程；改善飛機低速操縱性能，縮短起飛著陸滑行距離。據美國專家計算，F－16戰鬥機若使用前掠翼結構，可提高轉變角速度 14％，提高作戰半徑34％，並將起飛著陸距離縮短35％。

可控優勢：
使用前掠翼結構可以提高飛機低速度飛行時的可控性，並能在所有飛行狀態下提高空氣動力效能，降低失速速度，保證飛機不易進入螺旋，從而使飛機的安全可靠性大大提高。

當然，前掠翼也並非十全十美。如技術複雜，對與之配套的相關技術要求比較高等。早在70年代末，美國空軍研發了X－29A試驗機，該機35度的前掠翼。1984年12月14日，X－29A進行了首次試飛，截止1991年，2架技術驗証機總共飛行了616次。但令人遺憾的是，由於相關技術未成熟，儘管X－29A採用了最先進的復合材料，但最終仍未能完全克服空氣動力所造成的偏差。美國無奈，只得放棄將前掠翼作為美國未來戰鬥機夢想。前掠翼機翼結構技術的高度複雜性可略見一斑。


美國的X-29A
 
X-29A除了機翼使用先進的複合材料外，其他機體部分還是採用傳統的鋁合金及鋼材。X-29A的前機身、座艙、前起落架取材自諾斯洛普的F-5A；引擎取材自F/A-18大黃蜂號(Hornet)上的奇異(GE)F404-GE-400，並加以小幅度修改；主起落架、唧筒、齒輪箱、緊急動力單元、液壓泵浦、儲壓槽，則取自F-16。X-29A的設計是在超音速飛行時為縱向自然穩定(naturally stable)狀態，全機重心與氣動力中心(aerodynamic center)合而為一，但在次音速飛行時，全機重心落在氣動力中心之後，降落進場時全機重心更落後遠達35%平均氣動力弦(MAC)，為自然不穩定(naturally unstable)的飛行狀態，因此格魯曼發展了一套3頻道的線控飛操(fly-by-wire)系統來控制X-29A。

 
進行飛行試驗的美國X-29A前掠翼構型驗證機

X-29A首飛於1984年12月14日，外形採無尾翼設計，機翼是有史以來最薄的超臨界(super-critical)翼剖面，翼根處的厚度/弦長比(thickness/chord ratio)為6.2%，翼尖處為4.9%，翼前緣前掠29.27°，後緣前掠33.73°，後緣有全翼展襟翼，前緣無任何飛控翼面。X-29A的飛操面由機翼前方的全動式控制小翼(canard)、主翼、以及機尾處的延伸襟翼(strake flap)所組成，由於X-29A翼剖面的次音速飛行性能甚佳，但卻不利於超音速飛行，因此前置控制小翼須與主翼密切耦合，以改善超音速的飛行性能。
 
X-29A的機翼蒙皮是由12吋寬，0.005吋厚的碳纖維樹脂帶狀複合材料，以0°、90°、±45°的疊序安排，產生正向性的疊層，疊層總數156層，每邊機翼重131公斤。45°的疊層和機翼40%弦線成9°的前掠，承受大多數的負載，並限制機翼彎折時的扭轉量，以防止氣彈性發散，複材蒙皮和底層結構以五金件接合。機體的其他部分，如：機身、翼肋、翼樑、……採用傳統的鋁合金，方向舵和襟翼則是使用鋁合金外蒙皮與全高度的鋁合金蜂巢三明治夾心。
 
X-29A由1984年至1992年間，共進行了442次的實驗飛行，證實了當飛行速度在1.3馬赫以下時，前掠翼的飛行性能要優於後掠翼，在穿音速區間的昇阻比(lift/drag ratio)較後掠翼提昇15%，波阻(wave drag)也較低；但當飛行速度超過1.3馬赫時，機翼開始扭曲，雖然不致於折斷機翼，但也產生突增的震波阻力。X-29A最大飛行速度約為1.6馬赫；在1倍重力加速度、0.75馬赫下，飛行攻角最大到67°，不過在做戰鬥動作時，攻角一旦超過40°，飛控品質就急遽惡化，因此高攻角的作戰性能有限。由於美國國防部認為X-29A的飛試結果顯示前掠翼並沒有特別驚人的效益，因此在1992年停止了後續前掠翼戰機的發展計劃。


俄羅斯的S-37
 
 
在世人未有心理準備的情況下，俄羅斯蘇愷設計局於1997年推出了前掠翼戰機S-37，造成西方國家相當的震撼。前掠翼具有優越的氣動力特性，美國雖曾在1980年代飛試X-29前掠翼機，但因效果不佳而作罷，若S-37的確具備良好作戰性能，則此種戰機將近乎天下無敵，會給西方國家安全帶來空前的威脅，幸好後來事實證明S-37僅純屬科技驗證機，西方國家總算鬆了一口氣。
 
 
S-37金雕(Berkut)第一次受到世人注意，是在1991年有一批法國新聞從業人員訪問俄羅斯的中央氣動力研究所(TsAGI)時，發現有一架前掠翼、前置小翼的新機模型，稱為S-32（蘇愷設計局以S代表開發中的機型，Su代表生產機型）。1993年12月，中央氣動力研究所在75週年慶時，宣稱該所正在發展新型戰機。1996年2月，這架模型機正式出現在世人的面前。
 

當蘇聯的第四代戰機Su-27及MiG-29在1970年代剛剛現身時，第五代戰機的研發工作也立即啟動，蘇聯空軍對第五代戰機的性能需求項目中，有一必備的「超級運動性」(super maneuverability)，意思是在攻角超過90°時，飛機仍然保持穩定性及可控制性，而前掠翼是可滿足此需求的一種設計方式。

大概由1983年起，蘇愷設計局內由希莫夫(Simonov)所率領的設計小組就積極投入前掠翼戰機的研究，並由中央氣動力研究所進行MiG-23前掠翼模型風洞吹試，位於新西伯利亞的航空科技研究所(SibNIA)進行Su-27前掠翼構型次尺寸模型風洞吹試，以提供設計所需的氣動力數據。
 
圖為MiG-23

到了1990年，希莫夫決定製造一架前掠翼原型機，但經過3年之久仍然等不到俄羅斯國防經費的支援，蘇愷設計局於是決定自力救濟，由外銷Su-27家族戰機給大陸地區、印度、越南所得的盈餘，支應完成這架原型機的製造。

1996年蘇愷設計局開始製造原型機，不過當時西方航空雜誌紛紛臆測S-32即將開始試飛，由於蘇愷設計局對這架新飛機的開發並沒有十足的把握，因此希莫夫把原本的S-32代號，改為S-37，這樣必要時他就可以宣稱「S-32根本不存在！」

蘇愷設計局原本希望能在1997年的莫斯科航空展公開飛行這架新飛機，但由於飛控系統故障而作罷。事實上當時S-37已經完成組裝出廠，當年6月進行地面測試，8月時已在航展的會場內進行地面滑行測試，航展結束後才又再度現身。1997年9月25日S-37完成首飛，但當時俄羅斯空軍和國防部長對這架飛機沒什麼興趣，幸賴當時俄國政府內少數重要人士的支持，S-37才得以在不被看好的情況下開始飛試。

 
S-37機翼翼根部位的翼前緣後掠70°，經過一彎角轉折後，與主翼前緣相連。主翼前緣前掠24°，後緣前掠40°，主翼前緣有2片前緣襟翼，後緣有襟翼和副翼，機翼的使用材料中有90%是複合材料，並使用了氣彈性剪裁。

 
就氣動力控制面配置而言，S-37與Su-27系列戰機一樣，都是「三翼面」的配置：前置小翼、主翼、水平尾翼，主翼翼根處有向前機身兩側延伸的側翼板(strake)。S-37的前置小翼較Su-27系列上的來得長，後緣不是一般常見的後掠，而是略微前掠；同樣的，S-37的水平尾翼弦也相當長，但翼展很短，安置方式也與蘇愷系列其他戰機一樣，裝於機翼後方的引擎外側機身大樑上，不過其他戰機是把水平尾樞軸塞入大樑上的圓洞內，S-37則是把水平尾樞軸塞入大樑尾端的橫置式鉸鏈孔內。機身大樑上另有垂直尾翼及方向舵相搭接，兩垂直尾翼的距離也較其他蘇愷戰機來得遠，且呈向外傾斜的姿態。

 
S-37一開始是打算以2具AL-41F渦輪風扇噴射引擎為動力，當時正由Tu-16以及MiG-25PD進行飛試，不過後來的原型機是裝AL-31F引擎，淨推力和後燃器推力各是8,100和12,500公斤。2具引擎的間距不遠，進氣道位於機身兩側，進氣口為四分之一圓的形狀，為固定幾何式，藏於前置小翼前方的側翼板下，此側翼板正好可起導流和遮蔽作用。固定式進氣口可減少雷達反射截面積，有利於提高匿蹤性，但不利於提高最大飛行速度。

 
S-37與Su-27的起落架幾乎完全一樣，唯一不同的是S-37有2個鼻輪。根據圖片資料，S-37上沒看見減速板或是其他可以安裝阻力傘的地方，機內燃油量約4,000公斤，座艙罩為與Su-27相同的前開式，飛行操縱桿在機身右側。包括機身左側的一挺機砲在內，機上的武器裝載重量約為8,000公斤。蘇愷設計局強調S-37使用了雷達吸波材料及反射式匿蹤材料，但應該是純研發應用；2000年S-37改名為Su-47。以現在俄羅斯第五代戰機(PAKFA)發展計畫的T-50仍採用後掠翼構型來看，S-37可能也碰到當初X-29A所遭遇的同樣問題....
 
圖為Sukhoi SU-47 'Berkut & SU-30MK & SU-27 & SU-30MKK'
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或許未來材料科技有全新突破時，才是前掠翼戰機進入量產的最佳時機！





　　

w3411463

前掠機 的長相還真特殊  可惜 目前難以突破技術

sin7799

真詳細的介紹與解說.感謝

949a

Su-47(S-37)第五張照片中的尾椎怎麼是右短左長(倒數第三、四張好像也是?)，跟其他張不一樣?

《 本帖最後由 949a 於 2011-6-12 18:31 編輯 》