飛機氣動布局的發展

張光義 曾建明 鄧曉岷

很久以前，人類就有飛天的夢想。但一直到1903年，經萊特兄弟成功的飛行實踐，人類才得以實現用比空氣重的飛行器飛行的夢想。

從第一架飛機發明至今不到100年時間，但隨著氣動理論的不斷完善和制造工藝的提高、新型材料和主動控制技術的應用，飛機的外形發生了很大的變化。

人類的第一架飛機，即萊特兄弟的飛機現被美國華盛頓國家航空和宇航博物館收藏。這架飛機的機身骨架和機翼由樅木和桉木制成，螺旋槳葉片也是用樅木制成的。該機安裝有一臺12馬力的活塞發動機，由它帶動兩個推進式螺旋槳。飛機的水平安定面和升降舵布置在機翼之前的飛機最前部，機翼是呈梯形的雙翼，它的一角是柔軟的，可由繩索牽引而收卷起來，進行橫側操縱。機尾安裝有帶方向舵的垂尾，飛機沒有設置座艙，飛行員靠俯伏在飛機上實施操縱。

有了萊特兄弟的突破，世界各地的航空愛好者們前進的步伐更快了。飛機發動機功率不斷增大，設置了敞開式座艙，水平安定面很快被后置，橫側操縱由我們所熟悉的副翼代替，用上了后三點式起落架，并出現了單翼機。

隨著第一次世界大戰的爆發，飛機很快就卷入了戰爭。從早期僅用于偵察，敵對雙方飛機在空中相遇時飛行員用打手勢表示抗議，發展到用手槍互相對射。這引起了軍方的重視，飛機在很短的時間里就出現了專用于戰爭的戰斗機，轟炸機。

在一戰期間，交戰各國的戰斗機采用了雙翼，甚至出現了三翼，并出現了封閉式座艙，但仍采用后三點式起落架。

到第二次世界大戰，作戰飛機的性能有了大幅度提高，雙翼機很快被全金屬的單翼機所取代，逐漸出現了前三點式起落架。速度達到了每小時700公里以上，升限達12000米，幾乎是活塞式飛機的極限，想要再提高飛行速度和高度已相當困難了。

1939年8月，德國將渦輪噴氣式發動機裝上了飛機；1941年5月，英國也進行了噴氣式飛機試飛；1942年10月，美國噴氣式飛機也飛上了藍天。40年代后期，噴氣發動機逐漸推廣，經幾年迅速發展，50年代達到了全盛時期，被廣泛應用于戰斗機、轟炸機，后來又逐漸被民用飛機所采用，這些標志著飛機的發展進入了噴氣式時代。它意味著飛機的飛行速度可以進一步提高，升限也可上升到一個新高度。為適應高速飛行的需要，推遲激波波阻的出現，機翼由平直翼過渡到了后掠翼，并成為高速飛機氣動布局的主流。五六十年代，人們設計飛機的指導思想是追求高空高速，為達到此目的，機翼的后掠角也越來越大，并在后掠翼的基礎上發展了三角翼，超音速飛機的機頭還采用了尖頭。但是，就是在今天，絕大多數飛機仍保留著我們熟悉的常規布局方式，即機翼無論是平直翼或后掠翼、三角翼，仍是產生升力的主要部件，平尾、垂尾后置于飛機尾部，普遍采用了前三點式起落架。

在戰后的冷戰時期，各國加緊了軍備競賽，為適應各種條件下的飛行，伴隨著主動控制技術的逐步成熟，飛機出現了種種非常規布局形式。

最初出現的非常規布局飛機是無尾飛機，即飛機去掉了人們熟悉的水平尾翼。瑞典于1951年底開始設計的Saab－35飛機，采用了雙三角翼無尾布局；于1953年開始研制，1956年首飛的法國“幻影”Ⅲ飛機也采用了無尾布局。沒有了平尾，飛機升降舵的功能就由升降副翼取代。升降副翼成功地將升降舵和副翼合二為一，可為飛機提供仰和橫側操縱。采用無尾布局，飛機結構簡單，重量減輕，對提高飛行性能極為有利。這種布局后來成為“幻影”系列飛機的常用布局，也被較大的“幻影”Ⅳ飛機所采用。

后掠翼飛機適于高速飛行，而且速度越大要求后掠角也越大，但是在低速飛行時又需要較小的后掠角，才能取得較好的氣動特性。為在飛行中能夠滿足這種要求，60年代初，美國開始研制世界上第一種變后掠翼飛機，即F－111。蘇聯也于1963年開始研制變后掠翼飛機米格－23。緊隨其后，美國又推出了F－14變后掠翼戰斗機，蘇聯則推出了蘇－20、蘇－24等。變后掠翼的優點是可以在低速時以較小的后掠角飛行、高速時以較大的后掠角飛行，能同時滿足飛機的低、高速飛行對氣動布局的要求。由于大后掠角飛行時副翼操縱效能變差，F－111還率先采用了可差動偏轉的平尾來幫助橫側操縱。

在美蘇研制變后掠翼飛機的同時，瑞典則看中了另一種非常規布局形式，即鴨式布局，他們于1962年2月提出了鴨式布局加三角翼方案。1962年，Saab－37戰斗機交付試飛，它也是現代鴨式布局的經典戰斗機。與常規布局不同的是，它的平尾被安裝到了機翼前方，機翼為小展弦比三角翼。在跨音速飛行時，該機前翼壓力中心后移量不大，超音速飛行前翼產生的配平升力，可彌補一定的升力損失。與常規布局相比，在同樣情況下，這種布局的飛機升力較大。飛機的俯仰操縱由升降副翼實施。這種布局實際上和萊特兄弟的“飛行者”一號飛機有些類似，由此可以看出，人們早就認識到了鴨式布局的優越性，并將其用于探索飛行。只是由于重心位置不易布置在焦點之前和大迎角下俯仰安定性差等原因，這種布局才一直未得到發展。

Saab－37設計成功之后，瑞典后來的軍機普遍采用了鴨式布局。事實上，在Saab－37問世之前，美國的B－70超音速轟炸機就采用了鴨式布局。B－70于1957年12月提出設計方案，1964年9月21日首飛，并在1965年10月14日它的第17次飛行中，飛行速度達到了M3。但鴨式布局的大飛機發展不快，無論是軍用還是民用，至今均尚未見到這方面的研究成果。

與此同時，由于推進技術的進步，采用常規布局形式的戰斗機也取得了重大進展，突出的成就是研制成功了垂直起降戰斗機。英國于1957年開始研制垂直起降戰斗機，并于1966年8月試飛了世界上第一種實用型垂直起降戰斗機“鷂”。該機采用了轉向噴口技術，可利用從轉向噴口噴出的發動機噴氣流的反作用力直接使飛機離地，此時飛機的狀態可通過控制設在翼尖、機頭、機尾的噴嘴噴出的氣流來實施控制。后來，蘇聯也研制了雅克－38和雅克－141垂直起降戰斗機。

隨著漩渦氣動力學的發展，人們除了知道鴨式布局近距耦合可得到脫體渦，為機翼提供渦升力之外，還認識到了邊條翼的重要性，即邊條也能產生脫體渦，并為位于其后方的機翼提供渦升力。1963年8月試飛的SR－71高空偵察機就采用了無尾、帶邊條的三角翼，并首次采用了翼身融合體布局。飛機俯仰和橫側用升降副翼實施操縱，方向操縱采用了兩副全動垂尾，這是世界上第一次采用全動垂尾。SR－71的出現，使人們對邊條翼的優越性加深了認識，同時也認識到翼身融合體的優點。機翼和機身融合為一體，沒有明顯的分界面，可大幅度地降低干擾阻力和誘導阻力。機身縱剖面也采用了能產生升力的翼型面，可提高整機的升力，減輕結構重量。而且，飛機在獲得最佳升阻比的同時，也得到了更大的機內空間，使機的載重能力增加，載油量增加，從而具有更長的航時和航程。此外，機載設備的布置也更加靈活，對獲得良好的安定性和操縱性有很大的幫助。采用翼身融合技術還減小了雷達反射面積，為現代飛機的隱身技術提供了寶貴的經驗。

此后，許多飛機也采用了翼身融合技術，如1972年設計、1974年2月試飛的F－16就采用了帶邊條的翼身融合體布局。該機采用了3裕度電傳操縱系統、高過載座艙。它的空戰襟翼（含前緣襟翼、后緣襟副翼）可隨迎角和飛行M數的變化進行全翼展自動調節，能使升阻比達到最佳化，所以飛機的飛行性能可大幅度提高。現在俄羅斯的蘇－27、米格－29也采用了和F－16類似的布局，并安裝了帶有輔助進氣口的發動機，使它們具有了進行“眼鏡蛇”機動飛行的能力，曾引起航空界的廣泛關注。

邊條翼、高效的機動襟翼及大推重比發動機的應用，使許多重型戰斗機的起飛、著陸性能大幅度提高，如蘇－27飛機正常起飛重量23噸、最大起飛重量33噸，而它的起飛滑跑距離僅400米，著陸滑跑距離也只有550米，對機場的依賴明顯減小，甚至可以在土跑道上起降。這就使垂直起降飛機和變后掠翼飛機失去了優勢，因為為獲得良好的安定和操縱性能，它們要付出配置更大推重比發動機的代價；變后掠翼由于結構復雜、重量增大，所以現代戰斗機幾乎不采用這種布局了。現代戰斗機多采用帶邊條的中等后掠角外翼，再配以可全自動控制的空戰襟翼的混合式機翼。

于1978年秘密研制、1989年7月首飛的美國B－2飛機，以其獨特的外形引起了世人的注意。它在海灣戰爭和科索沃戰爭中的戰績，也倍受軍界的青睞。呈飛翼外形的B－2，前緣平直，帶33度后掠角，后緣呈雙W型。飛機有8個操縱面，包含6個升降副翼和2個阻流方向舵。發動機、外掛武器設備等全部內置。這種采用飛翼布局的飛機升阻比大，能滿足操縱性和隱身性的要求。由于該機采用了石墨/碳纖維復合材料、蜂窩狀雷達吸波結構、雷達吸波材料涂層、鋸齒狀雷達散射結構等，可有效減小整機的雷達反射面積。加之將發動機內置和采用了一系列紅外及可見光隱身措施，所以該機很難被雷達、紅外跟蹤。

在采用非常規布局的飛機中，值得一提的還有美國的X－29前掠翼驗證機。該機采用了鴨翼、前掠翼，加后機身邊條的布局，機翼內側半翼后掠。它于1981年1月開始設計，1984年12月試飛。試飛結果表明，它與常規同級后掠翼飛機相比，在跨音速范圍內升力可提高30％至40％，阻力可降低10％至20％，重量最多可減輕25％。前掠翼有后掠翼的飛機的所有優點，但在其機翼后掠和前掠的結合處，由于附面層厚，易先發生氣流分離而導致失速。不過，這種采用鴨翼近距耦合的前掠翼布局，則可利用鴨翼產生的脫體渦卷走這里過厚的附面層，從根本上解決全機失速不一致的問題。

前掠翼布局的優點很早就為人們所知，但它有一個嚴重的缺陷，那就是氣動彈性發散問題。如果以加強飛機的結構強度、剛度來解決氣動彈性發散問題，勢必會大大增加飛機的結構重量。所以，這個問題在相當長的時間內一直未能解決。直到復合材料得到發展并廣泛用于飛機制造業，人們有可能使用重量輕、強度高、剛度好的高級復合材料來制造前掠翼之后，這個問題才得以根本解決。

X－29就是采用復合材料制成的，但該機并未發展到投入批量生產，前掠翼技術也一直未用到美國新設計的飛機上。

俄羅斯于1997年9月25日試飛了С－37前掠翼隱身戰斗機。該機是在80年代美國研制F－22先進戰術戰斗機的同時著手研制的，試飛時間僅比F－22晚18天。С－37是融超音速和隱身于一體的新一代戰斗機，和X－29比較，外觀大致相同，不同的是：該機在鴨翼、前掠翼布局的基礎，還采用了蘇霍伊設計局自蘇－27飛機后所慣用的翼身融合體，致使飛機的升阻比得到進一步提高，重量進一步減輕，也有效地改善了飛機的機動性。由于這種布局的本身減小了飛機雷達反射面積，加上又采用了一系列隱身技術，所以它的隱身性能有較大幅度提高。該機還保留了傳統的平尾布局形式，由操縱全動平尾來實施全機的俯仰操縱。

從理論上看，應該說С－37的氣動布局是最佳的，預計這種布局形式將會成為未來作戰飛機的新模式，而一些大型飛機在技術條件成熟的情況下，也有可能仿效。