如果你不深入研究空气动力学设计的细节,你会认为飞机会飞得最快,只有尖尖的机头才能高效率地在空气中撕裂。尽管如此,大多数客机都是钝的圆机头,而不是锋利的机头,我们在战斗机上看到的尖机头大多是锋利的。飞机上的尖头不是可以减少阻力,提高效率吗?
阻力是固体与流体相互作用产生的机械力。就飞机而言,它的所有部件都产生了从机头和机翼到发动机的阻力,作用方向与飞机的运动相反。阻力受到流经流体的固体形状的显著影响,在所有情况下,尖锐的设计不一定是最佳选择。三种最重要的阻力类型是表面阻力(由于摩擦)、形状阻力(由于形状)和波浪阻力(与超音速有关)。
任何一种交通工具的设计都不是完美的。在飞机设计中进行了大量的妥协,根据要求,不同飞机的设计参数各不相同。战斗机的外形和空气动力学要求与客机截然不同。
当飞机移动时亚音速在美国,决定因素是皮肤和形状阻力,钝或圆鼻子造成的阻力比尖鼻子小得多。这听起来可能有违直觉,但由于钝鼻子的表面积比尖鼻子小得多,它对皮肤的阻力更小。当飞机移动时,它周围的压力场会随着它向前延伸。机身或机翼侧面的吸力区域会在空气分子到达飞行器之前开始吸力,而圆形的机头会允许从多个角度流动,因此阻力会低得多。
由于客机的巡航速度比声速小得多(飞机除外)协和式飞机它们的鼻子确实很尖),它们圆圆的钝鼻子表现得很好。下面是一些常见形状的阻力系数,这表明圆形末端的阻力系数比尖角或圆锥形末端的阻力系数小得多。
当飞机开始巡航时跨音速和超音速速度和表面阻力以外的其他因素也起了作用。在如此高的速度下,空气并不知道正在接近的飞机,一旦它与飞机接触,就会引起方向的突然改变,称为冲击。这种激波产生的波阻力可以通过使激波非常弱来减小。方向变化越小,冲击越弱,锋利尖尖的尖端所能达到的效果最好。
洛克希德SR-71黑鸟是美国空军最好的战斗机之一,巡航速度高达3马赫以上。黑鸟上的锥体与迎面而来的气流对称并向下倾斜,因此气流被飞机压向一侧。
当飞机被设计出大气层时高超音速的速度(5马赫及以上)和返回,钝头是一个更好的选择考虑由于气动加热的限制。没有必要把再入飞行器的阻力降到最低。因此,圆头是首选,因为它产生更大的阻力和更高的热负荷,但将热量分散在更大的区域,保持峰值负荷较低。因此,航天飞机的机头是钝的。
所以,对超音速飞机来说,细长锋利的机头是好的,但一种尺寸不能适用于所有的飞机,任何以亚音速巡航的飞机都最好设计成圆形的机头。