變形的翅膀

飛機的機翼作為提供升力的基礎，必須在氣動設計過程中全面考慮。理論上，機翼面積大可增加升力和載荷，面積小則可以減少阻力；后掠角大可增加臨界馬赫數并減阻，小則增加升力系數；展弦比大可以增加升阻比，小則可以提高飛行速度。從這幾個主要方面的對比可以看出，高升力與高速度存在多方面的矛盾。如何解決這些矛盾，始終是困擾著飛機設計師的難題。各國航空技術人員在航空氣動發展歷史上，也投入了很大力量來解決機翼氣動的矛盾。

早期高速戰斗機面對的難題

飛機實用之后很快趕上了第一次世界大戰，大戰期間飛機的作用得到了全面體現，航空兵也開始由從屬地位逐步獨立。早期戰斗機采用的活塞發動機功率有限，飛機的起飛場地條件也不好，高升力可以降低對起飛場地的要求。同時，早期空戰戰術簡單，主要采用單機盤旋格斗方式，也需要飛機具備很高的升力性能。早期戰斗機缺乏氣動增升的技術手段，升力主要取決于機翼面積，所以雙翼甚至三翼機在一戰中廣泛應用，雙翼機在二戰前仍然是各國裝備的主要戰斗機。單翼機雖然有飛行速度快的優勢，卻存在起飛距離長和盤旋半徑大的問題。蘇聯同時研制雙翼的伊一15和單翼的伊一16，就是在無法兼顧盤旋和速度的情況下，意圖用高速度與高機動機型配合作戰，以適應不同條件。

單翼戰斗機在30年代中期開始逐步替代雙翼機，但在全金屬和高速度戰斗機得到廣泛認同的同時，單翼機相對當時同規格的雙翼機，仍然存在翼面積小導致起飛距離過長，及動力不足和高翼載影響盤旋性能的弱點。活塞螺旋槳戰斗機雖然并不需要混凝土跑道，但二戰前各國的對空偵察和情報能力都不強，供戰斗機使用的前線機場面對著嚴重的空襲威脅，跑道則是對機場空襲時最先被打擊的目標。對空預警能力不足的缺陷，使戰斗機很難有效攔截轟炸機，這也是30年代曾經出現的“戰斗機無用論”的主因。跑道如果被破壞，很多單翼機將失去起飛必須的跑道長度，雙翼機則能利用更短和道面質量更低的跑道起飛，獲得單翼機理論上難以比擬的戰場生存條件。單翼戰斗機在30年代后期開始取代雙翼機，但各國仍很重視戰斗機短距起飛能力。能結合單翼機的速度和雙翼機起飛條件自然最理想，但常規設計手段無法兼顧兩種功能，促使設計師選擇非常規措施來滿足需要。

戰爭逼出來的單/雙混合翼方案

英國在二戰早期受到德國空軍的全面攻擊，英國空軍處于劣勢，沒有足夠的把握保護航空基地。為了給單翼戰斗機提供更短距離起飛的升力條件，英國航空工業為單翼戰斗機增加了可拋棄上層機翼，起飛時靠兩副機翼之間的金屬支架固定上翼，獲得雙翼機的高升力，起飛后解鎖并拋棄上層機翼，恢復單翼戰斗機的低阻力和高速性能。這種設計難度不大，也不需對戰斗機結構進行大改。但起飛后拋投會破壞可拋翼結構，戰時很難承受一次性機翼的成本消耗，機翼的回收和維修也要占用大量人力。

事實證明，可拋翼設想對高升力和高速度要求兩頭不討好。英國空軍為戰斗機增加可拋機翼的設想，是在空中力量相對較弱的不列顛空戰時期，力圖維持戰斗機正常作戰使用的應急措施。德國空軍在不列顛空戰過程中逐步失去了對英軍機場的壓制實力，之后更是開始采用防御性戰略，英國本土航空基地不再受直接威脅，可拋翼就失去了價值。

蘇聯研究可變翼技術也得到了比較好的效果。蘇聯30年代的可變面積機翼研究選擇了伸縮和折疊的不同方向，在30年代開發了很多類似項目。伸縮翼研究機的機翼結構較簡單，1931年的MAK-10采用套筒單層伸縮結構，1937年的LTG-7則在內翼安裝多層木制翼型套筒，由鋼索牽引實現套筒翼伸縮控制。伸縮翼結構較簡單，平衡性也較好，但結構強度受限很大，無法在當時的高機動飛機上應用。折疊翼則以HC-1/2（IS-1/2）為代表，利用單/雙翼混合的折疊方式，靠固定上單翼保證飛行穩定性，由折疊的下單翼實現翼面積的變化，重點用于高機動性要求的戰斗機開發。

固定翼與Z形折疊翼的組合

蘇聯在30年代開始認識到單翼機的速度優勢。蘇聯當時戰斗機結構材料落后，缺乏保障全金屬飛機大規模生產的鋁材供應條件，航空動力和工藝水平也不高，因此采用了簡化結構和減少機載設備的措施，盡可能降低翼載荷以改善飛行性能。對比同時期航空強國，美國和德國戰斗機的高速性地位要超過對低翼載荷的要求。英國則靠動力技術的優勢側重輕巧靈活，日本戰斗機偏好大翼面以追求極至的低翼載荷高盤旋性能。蘇聯則選擇了德、英的中間道路。

蘇聯空軍在30年代同時裝備了雙翼的伊-15和單翼的伊-16。這兩個型號采用類似的機體和相同的動力，差異只是不同的起落架結構和機翼布局。蘇聯空軍意圖用伊-16爭奪速度優勢，用盤旋性能好的伊-15執行格斗空戰。選擇相似的機體和同樣動力是為了標準化，選擇不同機翼布局則是滿足不同戰術要求。設計師選擇這種設計還有在當時政治形勢下避免出錯的意圖，蘇聯空軍接受這兩個型號也是因為難以取舍。

伊-15/16在30年代后期達到了世界戰斗機的較先進水平，無論在西班牙還是在中國的作戰中，伊-15/16都具備與德國和日本戰斗機對抗的能力。伊-15的雙翼布局和固定起落架對速度影響很大，伊-16采用先進的可收放起落架和懸臂式下單翼，盤旋性能略低但速度性能比伊-15好很多。如果伊-15/16配合作戰，必須進行復雜的戰術組織和編隊協調，才能使兩個型號同時到達戰場，而當時的蘇聯空軍完全不具備這種組織能力。嚴格說起來，在雷達和遠程通信系統實用化之前，任何國家都難以做到這樣的協同調度。蘇聯空軍很快認識到單翼機靠高速和高爬升率采用一擊脫離戰術，在格斗空戰中完全能與盤旋優勢戰斗機對抗，伊-16的地位很快超過伊-15，但伊-15起降距離短和盤旋性能好對當時的飛行員仍有吸引力。

增強戰斗機起降能力的努力始終沒停，除了鋪砌長度更大和質量更高的跑道，還可以選擇變彎度、加面積的機翼增升裝置，也有人把腦筋放在了直接調整機翼面積上。蘇聯設計師很希望結合伊15/16的優勢，但與在德國轟炸機炸彈下想起來的雙翼“颶風”不同，蘇聯設計師在二戰前進行的Z形可變翼ИC-1/2方案，技術更完善，控制也更有效。endprint

伸縮機翼的結構相對簡單，但強度問題難以克服。以30年代的航空技術，改變戰斗機翼面最直接的方式就是折疊，但有限的材料、結構設計水平和控制技術不可能做到飛行中折疊機翼。蘇聯設計師考慮變面積機翼方案時，設置了適應高速標準的固定翼，將增加的翼面用折疊方式實現，雖然付出了結構復雜性、阻力和重量的代價，卻盡可能回避了強度和控制方面的問題。

蘇聯在1939年完成了第一個技術驗證機ИC-1。它采用了伊-15的機體和動力，也采用了相似的雙翼布局，但卻改用了類似伊16的可收放起落架，下翼面與上翼面的尺寸差異也比伊15明顯。HC-1的機身和機翼主結構應用了高強度鋼管，除操縱面采用織物蒙布外，其它結構和蒙皮都采用了硬鋁材料，并應用了先進的低阻力埋頭鉚釘，屬于真正意義上的全金屬半硬殼結構。ИC-1的單柱主起落架安裝在下置翼的中段，低壓輪胎外側帶有折疊的硬鋁艙蓋。ИC-1的駕駛艙在機身中段靠后位置，前方為發動機和燃料艙，采用900馬力的M62活塞發動機，驅動直徑2.8米的三葉螺旋槳，這些技術與伊16相似。ИC-1的上翼面采用正常結構，每邊的機翼內側各帶2挺7.62毫米機槍，機翼內段下折后與機體連接，在飛行員前方留出供觀察瞄準的目視通道，基本結構與伊-15的上置翼面并無差異。

ИC-1的下翼面結構是整個方案的亮點。飛機在地面滑跑起降時采用傳統的雙翼布局，擁有與伊-15相似的低翼載荷。起飛后飛行員操作駕駛艙內的聯桿到收起位置，將主起落架水平收回到下翼面的艙體內（類似伊-16），之后再通過聯桿控制下方機翼上的活動桿式機構，將翼根和下翼面起落架支點外側位置同時反向折疊（折疊方式與近期出現的“飛行汽車”的折疊機翼接近），帶機輪艙的內側機翼上折后貼合到機身側面凹陷內，外翼面則上抬收入上翼面下方的凹槽內。ИC-1下部翼面分兩段收入機體和上翼預留空間后，飛機將成為采用上單翼布局的單翼高速戰斗機。除了機翼安裝位置有變化外，ИC-1的理論氣動性能基本達到了伊16的標準。

ИC-1的可變翼是飛機整體結構的組成部分，比拋掉一副機翼的雙翼“颶風”更合理。除了上單翼影響飛行員前向視野外，可變翼在氣動設計上沒什么毛病，但對結構設計卻難以兼顧。ИC-1的下翼面擁有兩個機翼轉折機構，內翼位置還有起落架艙，不僅要在機身兩側預留機翼存放和固定的凹槽，上翼面內側受力位置還要為容納下翼留出凹陷，這會增加機翼的復雜性。如果不考慮輕合金全金屬結構的重量貢獻，僅ИC-1下置折疊翼和驅動系統的結構重量，就要比伊-16更大面積的固定單翼還高。同時，機身和機翼下表面留出的空間，會破壞氣動性能和機翼的翼型連續性，尤其是上部機翼內側下表面不連續對升力的影響，很大程度削弱了下部機翼的升力增量，實際升力與理論升力存在明顯差距。иC-1的飛行速度雖然并不高，但折疊后的機翼受到工藝限制，很難與機體和翼面上預留凹槽緊密貼合，結構之間的空隙對氣動性能有不利影響，空氣從夾縫中流動也會產生振動和噪音，飛行速度越快氣動干擾就越大。

ИC-1在1940年11月進行了成功試飛，但速度不如同標準單翼機，復雜結構導致的可靠性和重量問題很大，空戰性能比不上大規模裝備的伊16，起飛性能優勢也不明顯。ИC-1的下部機翼可改善起降性能，理論上也可在空戰中提高盤旋性能。問題是，ИC-1的機翼驅動機構運動速度并不快，單程工作需要7到10秒，很難在機動空戰飛行時使用，只能在進入戰斗前固定選擇單或雙翼的結構。這種理論上可行卻受限于控制和氣動的局限，與米格23的可變后掠翼有相似之處，簡單卻未必有效。

ИC-1的機體比伊-15和伊-16略長，翼展8.6米（下翼展6.72米）與伊-16的8.9米接近，則是為了在單翼狀態達到伊-16的速度性能。ИC-1空機重量為1400千克，比基本型伊-15幾乎高了25%，比更堅固的伊-16也高很多，最大2300千克的起飛重量又削弱了本就不夠的動力。ИC-1最大飛行時速453千米的指標遠比伊-152（775馬力M25V發動機）的370千米高，卻沒超過伊-16-10（1000馬力M62發動機）的490千米速度性能；依靠雙翼狀態20.9米²的翼面積（比伊-15翼面積低約1米²），獲得了與伊-15相似的115千米/小時著陸速度，比伊-16著陸速度低很多。但相對于采用鋼管骨架、木材結構和帆布織物蒙布的伊-15/16，生產ИC-1必須用大量鋁材控制重量，材料代價遠超過性能收益，僅改善起降性能價值不大。ИC-1是在伊-15基礎上進行氣動和結構技術探索的產物。ИC-2作為ИC-1類似布局的改善性能驗證機，采用了類似ИC-1的伊15戰斗機機體，機翼也僅在ИC-1機翼布局基礎上進行了細節修改，用功率1150馬力的M88發動機替代了M62發動機，并通過改進機載武器強化了空戰火力。

伊-15依據的是蘇聯30年代早期的航空技術，設計ИC-1時該機已落后。ИC-2與ИC-1的機體尺寸和結構都接近大規模生產的伊-15，ИC-2改進設計中雖然沒有改變機身布局，卻利用了30年代后期航空氣動技術，放棄了ИC-1/伊-15采用的高阻力發動機罩，改用前端收攏，發動機后方帶環形活頁排氣口的低阻力發動機罩。新的發動機罩和為機翼配平增加的機體長度，僅使全機長度由ИC-1的6.8米增加到了7.1米，仍然保持了機體標準化。ИC-2降低了機身阻力并改善了機體線形，部分改善了伊16廣受詬病的操穩性能，綜合飛行性能比14C-1有明顯的提高。

ИC-1/2最大飛行速度與著陸速度比值為3.94，同時期活塞動力常規單翼機的這個比值在3左右。ИC-1/2具備很好的低速起降性能，可折疊雙翼布局的理論性能也不差，但結構布局卻限制了飛機只能采用上單翼，不利于螺旋槳動力戰斗機的整體布局，尤其是機翼遮擋飛行員視線的缺陷最致命。蘇聯航空工業有限的鋁材供應重點保證SB快速轟炸機這類高價值飛機的需要。當時的蘇聯空軍將單發戰斗機作為戰斗消耗品，利用便宜簡單的鋼管骨架、木材和織物作為主要材料，很少用到供應量不易保證的鋁合金材料。ИC-1/2的可變折疊翼受到結構和性能限制，機翼和機身必須大量應用低重量的鋁合金，完全不適合蘇聯當時的條件。事實上，ИC-1在試飛前已被確認放棄，完成后續的ИC-2主要是作為技術探索。衛國戰爭開始后，大量無法馬上形成生產的方案均被放棄，HC-2更不可能獲得機會。endprint

ИC-I/2設計的目標是改善伊-15/16的飛行性能，針對的是當時蘇聯空軍的主力戰斗機裝備。但在30年代后期的西班牙和中國戰場，面對德、日新型全金屬單翼戰斗機時，伊-15、伊-16都缺乏足夠的飛行性能。蘇聯航空工業在30年代后期確認了單翼戰斗機的優勢，開始設計達到先進水平的米格、雅克和拉格戰斗機，伊16已在裝備規劃中被淘汰，不再改進和改型。ИC-2在1941年試飛中的最大平飛速度增加到510千米/小時，高速性比иC-1明顯提高，但與同期完成的米格-3、雅克-1相比，ИC-2的性能尤其是高速性能存在差距。иC-2即使沒有飛行性能問題，僅依托伊15機體的落后結構和高標準材料要求，就足以使其被蘇聯空軍放棄。不過Z形折疊翼技術的潛力得到了驗證。

變后掠和折疊變體

單翼機在二戰前基本替代了速度性能不足的雙翼機，噴氣動力在50年代徹底取代活塞動力，條件優良的混凝土跑道成為戰斗機的基礎場地。噴氣戰斗機普遍采用利于高速的后掠翼，但機翼前緣后掠角增加卻對升力有不利影響，必須大幅延長起飛跑道。在戰斗機進入超音速階段后，跑道的道面標準越來越高，長度也越來越長。西方和蘇聯在60年代初期已經認識到混凝土跑道面臨的巨大威脅。為強化軍用飛機的場地適應性，在短暫的投入垂直起飛技術研究后，曾被放棄的可變翼面方案再次被提出，以此發展出了可變后掠翼。

擁有起降時高升力和飛行時高速度的可變后掠翼（同時改變機翼面積），算是帶附加翼的“颶風”和ИC-1/2的繼承者。戰斗機的發展證明，同樣性能要求下的簡單設計就意味著先進。噴氣戰斗機經過了垂直起飛設計和可變后掠翼熱潮，最終仍回到了高推比和高升力氣動的常規道路。最新的高速飛機項目很多都采用了升力體機身和折疊機翼，在起降的低速階段伸展機翼提供附加氣動升力，高速時將機翼收攏到機身內，完全依靠升力體機身提供升力。高速飛行器的收攏翼面設計，很可能將使變后掠翼技術在更高水平上得到恢復。

蘇聯ИC-1/2下置可動翼采用的Z形折疊方式，是適應中低速飛行器的措施。近年來的變體飛機熱，是繼承折疊翼思想的產物。國內展出過的折疊飛翼無人機及國外的飛行汽車等方案，可變面積的Z形折疊翼面與ИC-1/2下置翼異曲同工。Z形折疊翼作為亞音速變體飛機的翼面形式，技術難度不大。早期艦載機就用過折疊翼，但z形翼作為現代變體飛機的主翼，必須具備在空中折疊的結構強度，并要在中間翼折疊時保持內、外翼水平，結構強度要求遠比在停機時折疊的艦載機高，保證變翼過程中的穩定性也很難。[編輯/旭日]endprint