根据面积律,人们就有可能在设计飞机时降低跨声速或超声速波阻,提高飞机的跨声速和超声速飞行性能。此外,面积律还能提供估算飞机波阻的简化方法,用计算简单的当量旋成体的波阻来代替计算复杂的飞机波阻力(见飞机空气动力特性)。因此,面积律在跨声速和超声速飞机的设计中得到广泛的应用。
面积律
在跨声速或超声速飞行时,飞行器零升波阻力与飞行器横截面积沿飞行器纵轴分布之间的对应关系。
- 英文名称
- area rule
- 所属学科
- 航空宇航科学与技术
第二次世界大战以后,许多飞机开始改成使用喷气发动机作为动力来源,但是它们的速度都在马赫数1以下,因为它们遇到同样的问题,就是声障。即使到了1950年,美国空军的YF-102使用了三角翼,依然无法突破声障。1952年,美国空气动力学家R.T.惠特科姆通过风洞实验发现,当飞行马赫数接近于1时,飞行器的零升波阻力是飞行器横截面积(与飞行方向垂直的截面积)分布的函数,而且近似地等于具有相同横截面积分布的旋成体(称为当量旋成体)的零升波阻力。因此,可根据最小波阻旋成体的横截面积分布来调整飞行器的横截面积,以获得较小的波阻力。机翼—机身组合体横截面积A-A与其当量旋成体的对应横截面积B-B相等(图1)。
因为光滑(母线无反曲)旋成体的波阻最小,所以为了降低飞行器跨声速飞行时的零升波阻力,可以修改机身横截面积沿纵轴的分布。例如,缩小机翼、尾翼与机身连接区的机身横截面积,以及增大机翼、尾翼前后方的机身横截面积,形成腰形机身,使飞行器当量旋成体的横截面积分布与最小波阻旋成体接近或做到尽量光滑(图2)。1954年,美国的YF-102战斗机在试飞时,由于跨声速波阻力过大而未超过声速,后来采用了跨声速面积律和其他措施,使其改型机YF-102A于同年试飞时顺利地超过声速。这是世界上第一架采用跨声速面积律的飞机。
由于跨声速面积律的理论基础有限,1953年美国航空工程师R.琼斯[注]提出超声速面积律。这使得面积律的应用范围从跨声速能够延伸到超声速。与跨声速面积律相比,所不同的是决定超声速飞行时飞行器的零升波阻力的截面积不是飞行器的横截面积,而是在给定的飞行马赫数下通过机身纵轴上某一点后的马赫锥的切平面(马赫平面)所切割的飞行器截面积,作为机身纵轴上这一点的当量旋成体的截面积。为了降低飞行器超声速飞行时的零升波阻力,必须使这一当量截面积沿轴的分布尽量光滑。当马赫数趋近1时,马赫角会趋近90°,而马赫锥会趋近于平面,刚好与跨声速面积律的截面相同。