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1-1 機翼作為一種省力的工具
機翼其實是一個省力工具。但省力歸省力,不可能省功。
為什麼說飛機的機翼是省力的工具呢?想像一架飛機,它原本停在機場跑道上;10 分鐘後,它就以一定的高度和一定的速度在某個空層保持平飛。
比對飛機原本停在跑道上和後來已經在飛行的情形,飛機的重力位能U=mgh增加了(因為它有高度),動能EK=1/2mV2也增加了(因為有速度),甚至平飛的過程中,阻力會不斷做負功,所以發動機還要持續輸出功,用來抵銷阻力所做的負功,讓飛機保持等高度、等速度的水平飛行。
有機翼也好,沒機翼也好,甚至不管這是什麼物體(飛機、直升機、火箭、飛彈),這一前一後所必須付出的用來提供重力位能和動能的能量,也就是所必須付出的「功」,是不會變的。
有機翼的話,就可以像我們熟悉的飛機一樣,藉由在跑道上滑跑、加速,起飛後不斷爬升、加速,來達到一個特定的高度與速度,讓飛機有那樣的重力位能與動能。
不在起飛的過程中依靠機翼的話,那就是像垂直起降戰機一樣,直接垂直起飛升空,接著再加速,以達到同樣的高度(重力位能)和速度(動能)。
也就是說,不管有沒有機翼、用什麼樣的方式去達到等高度等速度水平飛行,在這個過程中,除去爬升和加速度的階段阻力所做負功的差異,系統所必須付出的「功」,是一樣的。

那機翼的功用為何?
如果飛機沒有機翼,那還是能起飛,只不過就需要像垂直起降戰機,直接用極大的推力(大於重力)讓自己飛起來,然後加速,才能得到那樣的位能跟動能。
但是有機翼的話,相較垂直起降戰機,發動機只需要產生小很多的推力,去抵抗阻力就好。抵抗了阻力之後,機翼產生的升力,就會漸漸地比重力大,然後飛機就會升空、爬升、加速,緩緩地達到指定的高度與速度。
這就是機翼設計的一個核心概念—升阻比。一個精心設計的翼剖面與一片平板、一個奇形怪狀的長方形物體的差異,就在它有著良好的空氣動力學效應。假設一個機翼在某個攻角下的升阻比是7,代表只要付出10牛頓的推力、承受10牛頓的阻力,就可以產生70牛頓的升力,讓70牛頓重的物體飛起來。而不需要像垂直起降的飛機一樣,直接向下產生70牛頓的推力。
早期在萊特兄弟的時候,人類發動機技術還沒有那麼發達,還沒辦法造出功率或推力那麼大的發動機(或功率/推力大的發動機就會過重,最後產生的推力根本不足以直接克服自身的重力,所以換個角度還是功率/推力不足的意思,或者更標準的說,功率重量比/推重比不足),所以採取了主要依靠機翼來產生升力的方案,用固定翼的飛機完成了飛行。
現代工業能力進步,有了垂直起降戰機,但要設計那樣的飛機,就必須給飛機加裝(相對於其質量來說)推力極大的發動機。這在AV-8B、F-35B上還好說,但如果是B777那種大型民用客機,就變得不切實際,但更重要的是不划算,可以用機翼飛,為什麼還要垂直起降呢?民航機追求省油優先,又不是沒機場跑道的長度可以用。
所以總結一下,力就是力,功就是能量,就是力乘上它的作用距離(W=F×S),它們兩個是不一樣的。而機翼,在這裡就相當於是一個省力的工具,它可以讓發動機所產生的推力在抵抗較小阻力的情況下,利用其升阻比,製造出足夠大的升力。
如果從飛機所受的四個力—升力、阻力、重力、推力來看,機翼就是個省力的工具,而機翼之所以可以是個省力的工具,根本原因就在於它有高升阻比,而機翼能夠有高升阻比的根源、核心元素,就在於翼剖面及其安裝攻角。機翼有翼剖面,而翼剖面在面對氣流時,能利用其弧量、厚度、攻角,來對平直的迎來氣流製造「環量(Circulation)」,以在僅造成微小阻力的情況下產生大量升力。因此,翼剖面和它的安裝攻角,可以說是整架飛機空氣動力學的核心,其關鍵角色不言而喻。

2-2 使用氣冷式發動機的螺旋槳戰機―P-47
P-47雷霆式採用了功率極大的普惠R-2800雙黃蜂引擎,該引擎為氣冷式,前後兩排共18個汽缸採用星形排列,具有2000hp的輸出功率,其中最主要的型號P-47D在使用發動機注水時,更可以短暫達到2300hp的巨大功率。但採用星型汽缸排列的氣冷式發動機,也會讓發動機正前方的截面積較大,因此使得P-47看起來較為粗壯。採用星型汽缸排列氣冷引擎的飛機在獲得更大功率的同時,一般來說也會比採用V型汽缸排列液冷引擎的飛機有更大的阻力。此外,P-47還有渦輪增壓器,使得其具備優異的高空飛行性能。
P-47採用橢圓形機翼,從D型開始改成水滴型座艙(P-47D-25及其以後),左右機翼各有四挺、全機總共有八挺12.7mm口徑機槍,這在當時是用在戰機上的最強火力配置。
得益於強大的引擎,P-47能有較強的火力、堅固的機身結構和裝甲,因此它有非常強的俯衝性能,以及抵抗戰損的能力。氣冷式引擎不像液冷式引擎有散熱器受損後冷卻液可能流光,導致發動機過熱的弱點,這進一步增強了P-47的抗損能力。除了高空作戰外,P-47也能攜帶炸彈和火箭彈用於對地攻擊。
P-47相較同時期的戰機更大更重,其強大的發動機讓它能具備重火力、堅強穩固的結構、裝甲,但發動機耗油率較高,需要攜帶副油箱才能改善航程。此外,較重的機體,也導致其爬升和直線加速性較差,不過爬升性在P-47D-22以後的型號,由於換裝更大的螺旋槳,讓更多氣流能夠進入到發動機,而有所改善。
儘管P-47的纏鬥性能不是其強項,但它可以取得速度和高度的優勢,適合打了就跑的戰術,其強大的俯衝性能、火力和抗戰損能力,也一定程度彌補了在纏鬥性能上的劣勢。
國軍的P-47是二戰後由美軍轉移,投入國共內戰。
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