问题

是否存在完全或几乎没有滑翔能力的固定翼飞机?

回答
是的,存在完全或几乎没有滑翔能力的固定翼飞机。这类飞机通常被设计用于特定目的,其空气动力学特性使其在失去动力后无法有效地滑翔。

以下是一些关键点和详细解释:

1. 为什么大多数固定翼飞机有滑翔能力?

升力与阻力的关系: 固定翼飞机的基本原理是利用机翼产生的升力来克服重力,并通过发动机产生的推力来克服空气阻力。当发动机失效(失去动力)时,飞机仍然依靠前向速度产生升力来维持飞行。
空速和迎角: 在滑翔状态下,飞机仍然以一定的速度前进,气流流过机翼,产生升力。通过调整飞机的姿态(迎角),飞行员可以控制升力和阻力的大小,以达到一个相对平稳的下降率。
气动效率: 大多数飞机的设计都力求高气动效率,这意味着它们在产生升力的同时,能够最小化阻力。这种高效率也使得它们在没有动力的滑翔状态下能够保持更远的距离和更低的下降率。

2. 哪些固定翼飞机几乎没有滑翔能力?

这类飞机通常具备以下一个或多个特征:

极高的阻力:
非流线型设计: 一些飞机为了特定的功能,可能采用了非常粗糙或非流线型的表面,或者带有大量的突出物,例如许多早期实验性飞机、某些超音速飞机(早期的)在设计阶段可能没有完全考虑到滑翔性能,或者为了追求其他性能指标(如减阻、结构强度等)而牺牲了滑翔能力。
巨大的表面积和不规则形状: 某些特殊用途的飞机,例如某些无人机或特种侦察机,可能为了搭载设备或承受高过载而采用非传统的、面积巨大的机翼或机身设计,这会显著增加阻力。
开式驾驶舱或裸露的结构: 一些用于特定测试或环境下的飞机可能采用开放式驾驶舱或不完全封闭的结构,这会产生巨大的阻力。

极低的升阻比:
专门设计用于高机动性: 许多战斗机或特技飞机被设计成具有极高的升力系数和较低的展弦比(翼展与平均翼弦之比)。这使得它们在低速或高攻角下能够产生巨大的升力,从而实现高机动性。然而,这种设计通常伴随着较高的阻力,导致它们的滑翔性能不佳。
非常高的翼载荷: 飞机单位机翼面积的重量被称为翼载荷。翼载荷越高的飞机,在维持相同升力时需要更大的速度,并且在失去动力后,为了产生足够的升力来对抗重力,需要更快的速度和更大的攻角,这往往会增加阻力。例如,一些极速飞机或专门为短距起降而设计的飞机可能拥有较高的翼载荷。

极端的重心位置:
不稳定的气动布局: 虽然大多数固定翼飞机都设计成稳定状态,但某些实验性或特殊设计的飞机可能具有不稳定的气动布局。在这种情况下,没有动力的支持,飞机很难维持一个有效的滑翔姿态,容易失速或进入滚转。

特定设计的限制:
固定式发动机或设备: 一些飞机可能为了减轻重量或简化结构,其发动机或关键设备是固定且无法收回或调整的。如果这些部件本身就产生大量阻力,那么在失去动力时,它们会严重影响滑翔能力。
专门为短时间、高速飞行设计: 有些飞机可能被设计成主要在短时间内、以极高的速度进行飞行,然后快速降落。在这种情况下,滑翔能力的优先级会非常低。

3. 具体例子(概念上或实际存在的):

虽然完全没有滑翔能力的固定翼飞机在实际应用中非常罕见(因为任何固定翼飞机都至少具备一定的滑翔能力,只是效率非常低),但我们可以设想一些接近的例子:

某些高空侦察机(早期概念): 早期为了超音速或高空飞行而设计的飞机,其气动外形可能不适合滑翔。
某些高机动性战斗机(在特定状态下): 当这些飞机处于高攻角或高速机动后,即使失去动力,其巨大的阻力也可能导致它们快速失速或难以控制滑翔。
非常粗糙的表面或突出的结构: 如果一架飞机设计得极其粗糙,或者有大量不可收回的突出物(例如某些实验性的无人机平台),它的滑翔能力会大大降低。
极高的翼载荷 + 低展弦比的战斗机: 例如一些“飞镖型”飞机(虽然它们是极端的概念),如果它们设计得非常短小、粗壮,且机翼展弦比极低,那么它们的滑翔效率会非常低。

4. 为什么几乎没有真正“完全”没有滑翔能力的固定翼飞机?

物理定律的约束: 作为固定翼飞机,只要有前向速度,气流流过机翼就会产生升力。即使阻力很大,只要飞机在空中,就能以某种方式(即使是极快的速度下降或不稳定的姿态)维持飞行一段时间。
安全考虑: 即使是为了特定目的设计的飞机,完全丧失滑翔能力也意味着在任何动力失效的情况下,都会立即发生灾难性坠毁。这是航空工程中极力避免的。因此,通常会保留最基本的、尽管效率极低的滑翔能力。
“几乎没有”的定义: 在航空领域,“几乎没有”滑翔能力通常意味着飞机的滑翔比(前进距离与下降高度之比)非常低,例如可能只有 1:1 或更差。这意味着飞机一旦失去动力,就会在短时间内迅速下降,难以进行有效的航程修正或寻找迫降地点。

总结:

尽管大多数固定翼飞机都具备一定的滑翔能力,但由于设计上的权衡,某些飞机可能表现出极低的滑翔性能,以至于在实际应用中几乎可以忽略不计。这些飞机通常是由于追求高机动性、特定飞行速度、或者为了携带特殊设备而采取了高阻力或低升阻比的气动设计。完全“没有”滑翔能力的固定翼飞机在物理上很难实现,但“几乎没有”则更为现实。

网友意见

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气动是个很奇妙的东西……

一方面,连没有或几乎没有机翼的东西都能滑翔:

另一方面,某些明明长着机翼的东西却的确几乎没有滑翔能力:

初代鹞子由于可以利用矢量推力垂直/短距起降,机翼低速性能变得不再重要,因此设计了只有14.12平方米的超小机翼。除了以此减轻机翼结构重量和简化结构方便维护[1]之外,最初设想主要作为攻击机的鹞子还试图以此通过增大翼载荷的方式提高低空高速突防时的稳定性。

虽然这样的设计考虑也不可谓不合理,但这导致鹞子在最大起飞重量(约12-14吨)下的翼载荷接近1吨/平方米,滑翔比更是达到了令人崩溃的3……

糟糕的滑翔比导致RN在改进海鹞FA.2时直接取消了RAT,因为3的滑翔比根本不可能进行什么有实用意义的滑翔,RAT装了也基本等于死重。

同时过小的翼面积还差点导致RAF拒收鹞GR.1,因为翼面积太小导致最大盘旋过载不达标,RAF要求6G的最大过载,而鹞子最初只能达到5.5G[2]

某种程度上,超大翼载荷导致的诱导阻力爆表也是鹞子短腿的罪魁祸首之一,虽然垂直起降本身就非常耗油。为了缓解这种问题,霍克甚至给初代鹞子设计了一个被称为“转场翼尖(Ferry Tip)”的翼梢小翼替换件,每个长27英寸(68.5cm)。当需要进行远程飞行时,把这个东西装到鹞子的翼尖上,总共能增加0.91m的翼展,稍微改善一下展弦比和翼面积以拯救鹞子的升阻比。

当然,后来四等人在改进鹞II时,通过加大机翼(AV-8B的翼面积增加到22.61平方米,近乎翻倍)把鹞子的载荷航程性能足足提高了一倍,翼载也降低到了相对神志正常的400-500千克/平方米,滑翔性能就相应改善了不少。

在铁幕的彼端,也有一位相对不那么出名的您完全不要机翼是吗选手——

完全没有查到关于这东西滑翔性能的资料,不过我怀疑毛子的确完全没考虑过这东西滑翔的可能性——据说雅克38甚至连滑跑起降的可能性都没考虑过,短距起飞的技巧还是海航的飞行员们自己琢磨出来的。

同时,考虑到雅克38的性能比鹞子还令人崩溃,只能说这东西能飞就是奇迹了。

此外,还有一个更出名的被广泛认为“几乎不能滑翔”的固定翼飞机——

嗯,虽然这么说,但F-104的滑翔比其实比初代鹞子要好些,更接近航天飞机的水平。实际上,由于F-104的气动设计在高速下的低阻力,在高亚声速和跨声速的巡航速度下它反而能有相当不错的9.2升阻比。尽管如此,其低速下的滑翔性能非常糟糕。

类似的例子也出现在(可能很多人并不意外)大名鼎鼎的双J79驱动飞行板砖、号称倒飞比正飞阻力小的F-4饭桶,不是,鬼怪上。鬼怪在巡航时的升阻比约为11-12,但根据一位F-4 WSO的评论,该机在滑翔时的性能同样可以与航天飞机相媲美,他们一般用的换算关系是每1,000ft(300米)高度可以滑翔1英里(1.6km),倒算下来滑翔比是5.3左右。同时滑翔速度也很快,平均每分钟飞行4英里,平均速度在200节左右。

此外根据在某篇网站上查到的数据,美系军用飞机发动机停车迫降的标准程序是在机场上空指定的高度关闭发动机,完成一圈360度盘旋,然后降落到跑道上。对于T-33教练机来说,这个高度是2,500ft(约800米),其他机型的数字则在3,000到5,000ft(900到1,500米)。

而F-104的数字是20,000ft(6,100米)……

而根据一位真的“有幸”驾驶F-104完成了一次滑翔迫降的试飞员所述,在这个过程中,飞机的下降率达到了10,000ft每分钟(50米/秒)。的确,这几个数字和航天飞机的差不多……

至于毛子那边则有现成的低速性能和航天飞机一样糟糕的飞机可用——暴风雪的着陆训练机是米格25。

关于米格25被用作暴风雪教练机的情况可参考文章:【翻译】飞行报告:米格25UP教练机 - 知乎 (zhihu.com)

尽管如此,针对题主的“几乎不能滑翔”而言的话,几个性能数字可能并不能作出判断。比如F-104的翼载荷虽然也很高,但滑翔性能看起来并没有所流传的那么差劲。此外也有一些飞机看起来好像滑翔性能还不错,但实际上却非常差劲。

很多时候翼载荷和滑翔比/升阻比也并不具有显而易见的关系。比如许多民航客机的翼载荷达到了会让作战飞机和轻型飞机昏厥的500-800千克/平方米,但因为翼型本身偏向低速升力性能、减阻措施优秀,加上尺寸大,升阻比/滑翔比通常非常之高,平均都在10-25。

此外,升阻比很多时候不一定等于滑翔比,因为发动机的故障情况会显著影响飞机的阻力。即便发动机故障没有对飞机造成其他的破坏,处在风转状态的发动机本身也会从动力源变成阻力源,从而导致飞机的阻力增加。比如前面提到的饭桶,低速状态下的实际升阻比在8左右,但滑翔比则只有5-6。

此外,滑翔比本身也不一定能代表飞机的滑翔性能。

比如A-7E,作为舰载攻击机的优秀例子,该机拥有12的升阻比和相当好的载荷航程性能,且在发动机故障的情况下滑翔比约为7,看起来似乎即便在发动机停车的情况下也能安然滑翔降落。

然而手册却非常不建议该机进行滑翔迫降。飞行员被要求除非迫不得已或是弹射座椅故障,否则应该在下降到1,500ft高度之前尽快弹射。

这是出于两个原因:其一,在1,500ft高度以下,A-7E的滑翔迫降剖面很难保持在弹射座椅包线之内,因此如果滑翔迫降失败,飞行员没有最后的保险措施;其二,A-7E的应急液压系统可能无法在滑翔速度下提供足够的液压压力供飞行员操纵飞机。

同样的,可以说鹞子的3升阻比理论上并不会导致其无法进行滑翔着陆(毕竟与其相当的升力体都能滑翔着陆),但以鹞子的气动和飞控设计,可能还有起落架构造,要驾驶鹞子完成一个航天飞机式的大角度俯冲拉平,或许NASA的试飞员有可能做到[3],但对大部分飞行员而言显然是不可能的事,与其尝试不如弹射。这实际上可能是大部分“完全或几乎没有滑翔能力的固定翼飞机”的真正原因。

当然,如果要解答题主的“完全或几乎没有滑翔能力的固定翼飞机”,那么从上面的内容来看,最早一代的鹞子和雅克38这些垂直起降飞机或许可以满足题主的要求。至于被广泛吐槽的F-104,虽然它的滑翔性能的确很糟糕,但至少还在“能操纵”的范围之内。

参考

  1. ^ 得益于较小的面积,整个鹞系列的主翼实际上是一整块结构,通过6个接头与机身连接,在维护时可以轻松地整个拆下来。这同时也是为了换发——与常规起降飞机发动机位于尾部不同,为了垂直起降,鹞的发动机位于机身中部的重心附近,因此要换发的唯一办法就是先拆掉机翼
  2. ^ 霍克起初提出可以使用推力矢量来提供额外升力,但RAF考虑到这样会导致飞机损失水平推力并急剧减速而严词拒绝。霍克最后不得不重新设计鹞生产型的机翼
  3. ^ 或许还有霍克公司的试飞员——鹞子的验证机P.1127最初为了确保悬停稳定性而装设了三轴控制增稳系统,但这几位大兄弟在试飞过后觉得飞行员完全可以靠手操稳定驾驭鹞子的悬停,因此提出去掉鹞生产型上的控制增稳系统。他们是什么感觉我不知道,我只知道RN和RAF的飞行员评价鹞子的悬停像踩着独轮车走钢丝

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