變體飛機技術應用前景與裝備譜系研究

韓傳東 梅守保

摘 要：現代戰斗機設計追求多任務兼顧、高速與低速飛行性能兼顧、機動性和隱身性兼顧，這些能力需求在設計中往往互相矛盾，變體飛機技術是解決飛機設計中這些矛盾的有效途徑。本文從變體飛機技術出發，梳理了軍用變體飛機的發展歷程，分析了國外典型變體飛機的研制背景、作戰任務和變體飛機技術應用情況，創新地提出了變體飛機技術在未來飛機中可變尾翼、可變布置和可變模塊化組合的新型應用方式，總結了變體飛機的主戰類和支援類裝備應用譜系，肯定了變體飛機技術在未來飛機設計中的實用價值，提出了變體飛機技術的應用方向，為變體飛機技術未來的應用提供了參考。

關鍵詞：變體飛機； 裝備譜系； 變后掠翼； 模塊化； 戰斗機； 轟炸機

中圖分類號：V271 文獻標識碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2023.03.002

隨著飛機設計技術的全面進步，對飛機指標的要求也越來越高，人們往往希望一型飛機可以執行所有任務，既有高速飛行能力又有很好的低速性能，既有很強的機動性又有極好的隱身能力，這樣可以大大節省飛機的采購成本。但這些能力需求在設計上往往是相互矛盾的，固定的飛機外形所能提供的能力是有限的，所以設計師們只能有所取舍。變體飛機技術是一項經過了大量飛機驗證的可以有效平衡飛機設計矛盾的技術，具有廣泛的應用前景。最早的變體飛機技術是可變后掠翼技術，該技術的出現是為了兼顧飛機的低速性能和高速性能，20世紀60—70年代，正值美蘇爭霸時期，攻擊性戰斗機層出不窮，但當時發動機技術還沒有突破性的進步，大載彈量和遠航程的戰斗機起降距離必然增加，難以保障，不利于快速出動和返回，秉承“動力不足氣動補”的思想，“變后掠翼”的設計思想受到各國青睞，并被運用到當時的飛機設計中，成為風靡一時的設計潮流[1]。

從F-111到F-14，從米格-23到蘇-17、蘇-24，以及目前仍在服役的轟炸機B-1B、圖-22M和圖-160，美國和蘇聯將變體飛機技術應用到軍用飛機中，有效地提升了飛機的綜合作戰能力，這些飛機也成了變體飛機的代表。即使在 21世紀，美國國防預先研究計劃局（DARPA）依然在進行變體飛機研究，其開展了變形機翼驗證項目，研究目標是設計出一種將監視平臺具有的長航時巡航能力與攻擊飛機的高速機動能力集于一體的無人機。MFX-2在加州羅伯茨軍用試驗場進行了多次自主飛行中變形飛行，在5次約10min的飛行中，該無人機在保持姿態與航向以及轉彎過程中實現了機翼變形。從一種構型變形為另一種構型約需10s。但美軍的變體飛機基本都已退役，現役的飛機型號中很少有變體飛機。

我國在變體飛機技術領域有一定的研究，主要集中在變體結構的設計和新材料的研究上。黃虎等[2]針對飛機重載大變形伸縮變體機構進行了動力學仿真研究，其建立的方法為各組件的傳動傳載性能優化和結構強度設計分析提供了一種可靠高效的仿真手段，對于變體飛機伸縮運動部件的結構/機構一體化設計有重要的應用價值。王泓杰等[3]對典型智能材料結構疲勞可靠性問題的研究進展進行了闡述，對這些問題的后續研究做出了展望。高飛[4]開展了新型零泊松比蜂窩結構設計、碳纖維復合材料零泊松比蜂窩結構制備和力學性能分析，以及基于新型蜂窩結構在變體機翼中的應用等研究工作。李航航等[5]對戰斗機新結構應用與新材料需求進行了分析，探索了未來新一代戰斗機可能采用的結構形式、技術特征，提出未來先進結構材料發展初步需求。

1 國外典型變體飛機技術應用

本節主要列舉典型軍用變體飛機的應用實例，分析其應用的變體飛機技術。變體飛機技術在軍用飛機中主要應用于戰斗機和轟炸機，戰斗機包括美國的F-111和F-14，蘇聯的米格-23、蘇-17和蘇-24，以及歐洲的“狂風”，轟炸機則主要是美國的B-1B，蘇聯的圖-22M和圖-160。

1.1 戰斗機

F-111戰斗機是美國也是世界上最早的實用型變后掠翼飛機[6]，為了同時兼顧美國空軍和海軍的需求，應用了當時已經較為成熟的變后掠翼技術，機翼后掠角變化范圍為16°～72.5°，起飛時16°，著陸及亞聲速巡航時26°，高低空超聲速飛行時可選用72.5°以下的適當角度。美國的另一款變體飛機F-14同樣應用了變后掠翼技術，F-14的機翼后掠角變化范圍為20°～68°，由機載設備根據飛行狀態自動調節，最大變化速度為7（°）/s，也可由飛行員手動調節。停放時后掠角最大達75°，可大大減小甲板占用面積。

米格-23戰斗機是蘇聯米高揚-格列維奇設計局的首款變后掠翼戰斗機。由于技術不夠成熟，機翼的后掠角只能在16°、45°、72°三個角度切換。

蘇-17是蘇聯蘇霍伊設計局的首款變后掠翼戰斗機，后掠角可在30°、45°、63°三個位置上手動調節，機翼全部展開耗時19s，全部收起耗時16s。其后的蘇-24戰斗機使用了變后掠翼，后掠角可在16°、35°、45°、68°這4個角度間調節。

“狂風”戰斗機是英國、德國和意大利聯合研制的，該戰斗機來源于20世紀60年代中期北大西洋公約組織（簡稱北約）提出的“多用途作戰飛機”計劃。其作戰任務要求“狂風”戰斗機具備良好的加速性和機動性、低空快速突防能力和強大攻擊火力、較大的作戰半徑和較長的留空時間，能在晝夜和復雜天氣條件下作戰，具有短距起降能力。這些作戰需求對于總體設計來說大多是矛盾的，低速、遠航程、短距起降要求有小的機翼后掠角，而高速性能則要求戰斗機有大的機翼后掠角，飛機設計師們巧妙地運用了變后掠翼技術解決了這個矛盾。這使得“狂風”戰斗機在對空攔截和對地打擊任務中均有很好的表現，至今仍有一些“狂風”戰斗機服役。

1.2 轟炸機

B-1B是美國北美航空（后被波音收購）研制的超聲速戰略轟炸機。為了兼顧高速性能和低速起降性能，該機使用了可變后掠翼設計，可變后掠翼的變化范圍為15°～ 67.5°，縮短了起降距離，這使其對機場的要求大大降低，同時提高了作戰半徑。

圖-22M是蘇聯圖波列夫設計局研制的一型超聲速遠程戰略轟炸機，應用了變后掠翼技術，其機翼后掠角提供了4個角度可選擇，20°用于起降，30°用于開始爬升和長時間亞聲速巡航，50°用于低空跨聲速飛行突防，60°用于超聲速巡航。目前該機型仍是俄羅斯的主力轟炸機之一。

圖-160是蘇聯圖波列夫設計局研制的一型超聲速遠程戰略轟炸機，由于應用了變后掠翼技術，既可低空亞聲速突襲，也可高空超聲速發射遠程巡航導彈。機翼后掠角變化范圍為20°～65°，最大后掠時，其后緣根部可向上翻折90°作為垂直安定面使用。

2 變體飛機技術在作戰裝備中的應用潛力

本節立足于國外典型變體飛機所應用的變體飛機技術，結合現代飛機設計技術發展，并從任務需求角度出發，梳理了變體飛機技術在作戰裝備中的應用潛力，主要包括變后掠翼、變垂尾、變機內布置和變模塊化組合4種方式。

2.1 可變后掠翼兼顧高速和低速

飛機的機翼后掠角很大程度上決定了飛行速度的上下限。增加機翼的后掠角可以提高臨界馬赫數，延緩激波的產生，減小激波阻力[7-8]。大后掠角的飛機速度一般較快，現代的超聲速戰斗機為了達到較快的飛行速度，大多數都采用大后掠角設計，重型戰斗機的最大飛行速度一般在馬赫數Ma 2～3。

反之，較小的機翼后掠角更有利于低速飛行，但會由于增大了展弦比而增加飛機的航程，經濟性好，并可以減小起降距離，對機場跑道要求降低。民用飛機、運輸機、轟炸機、預警機等為了適應亞聲速飛行，一般都是小后掠角設計[9]。

可變后掠翼一般利用機翼的外翼繞翼根轉動來實現，設計幾種典型的外翼轉動角度，適應不同的飛行速度：高速飛行時阻力小、加速快；低速飛行時航程大、起降距離小[10]。高低速的性能兼而有之的代價就是結構復雜、重量（質量）和造價可能增加、可靠性可能下降。圖1所示為一種變后掠翼飛機方案。

2.2 可變尾翼兼顧機動和隱身

飛機的垂尾是橫航向平衡、穩定和操縱的重要機構，同時也是飛機上的重要散射源之一。研究表明，減小垂尾的傾角可以有效地減小飛機的雷達截面積（RCS）[11]，但這又會顯著降低垂尾效能而降低飛機的機動性。

可變傾角的垂尾可以通過繞尾翼弦轉動實現，垂尾放平以達到較好的隱身性能，垂尾豎起以達到較好的機動性能，兼顧機動和隱身。與變后掠翼一樣，增加轉軸意味著結構復雜、重量和造價增加、可靠性下降。

2.3 可變機內布置增強任務適應性

變體飛機不僅僅外部形態可變，內部的布置也可以變化，傳統的飛機內部布置一般是固定用途的，載荷艙和油箱的位置不可更改。但是在實際使用中，有的時候任務需求與機內布置并未達到最佳匹配，例如，有的時候運輸機需要將很多貨物快速運送到較近的地方，這并不需要滿載燃油，而需要多載貨物，此時最好能夠將多余的油箱位置給貨艙，反之亦然。這樣，通過機體內部布置的變化，達到適應任務需求的最佳效果。

2.4 可變模塊化組合增加任務多樣性

隨著設計水平的提升和設計標準化的發展，模塊化設計技術和思想已經逐步深入飛機的設計中，不同系統間的接口都有規范可循，單個系統的更改一般不會對其他系統或整個飛機造成巨大影響[12]。

更進一步將飛機的各個主要部件模塊化組合，形成具有不同能力、可執行不同任務的飛機。可將機頭、中后機身、機翼、任務載荷等設計成具有規范接口的標準化模塊系列，為了執行不同任務而使用相應的模塊組合成一架飛機。例如，機頭可以設計成帶座艙的有人機機頭、帶智能計算機的智能無人機機頭、帶具有強大探測能力的傳感器機頭等；中后機身可以設計成具有信息處理和指揮席位的預警機機身、具有巨大裝載空間的運輸機機身、具有一定燃油和武器的轟炸機機身等。這樣，可以大大增加飛機的任務多樣性和適應性，但是由于模塊連接而產生結構增重、多種類型的模塊連接的氣動耦合與干擾問題、操縱性和穩定性問題、電磁兼容問題等。與普通的產品設計不同，飛機設計是多學科的綜合設計，需要解決的問題很多，飛機模塊化組合的難度相當大。圖2所示為一種模塊化飛機方案。

3 變體作戰飛機譜系

本節主要分析了主戰類飛機和支援類飛機的短板，立足于變體飛機技術在作戰裝備中的應用潛力，分析了這些應用潛力解決裝備短板的可能性。

3.1 主戰類飛機

3.1.1 戰斗機

戰斗機一般具有優秀的機動性能和較高的速度，但作戰并不止于此，到達能力是戰斗機的核心能力之一，作戰半徑越大，戰斗機的作用就越大，對敵人的威懾就越大。基于變體飛機技術，可以發展遠航程的變體戰斗機，在傳統戰斗機的能力基礎上，兼具遠航程和高機動能力，可以執行多種作戰任務，可控制的區域更大，可對遙遠的重要軍事目標進行打擊。

變體戰斗機的歷史悠久，美國、蘇聯/俄羅斯、英國等國家均有成熟的型號，但都是圍繞著變后掠翼開展的且均已退役，其實在變體戰斗機中可挖掘的能力還有很多：變尾翼以達到兼顧機動性和相對極致的隱身性能、變機內布置以達到兼顧多種裝載需求、變模塊化組合以達到兼顧多種任務功能需求等。總之，變體飛機技術是解決未來戰斗機設計中能力沖突問題的有效手段之一。

3.1.2 轟炸機

轟炸機往往由于載彈量和作戰半徑的苛刻要求而不具備或在一定程度上缺乏高機動能力，未來的復雜強對抗的作戰環境對轟炸機的生存力要求越來越高。基于變體飛機技術，可以發展具有高生存力的變體轟炸機，在傳統轟炸機的能力的基礎上兼具高機動性，在自身受到威脅時提升自身生存力，降低對護航任務的需求，在戰場中執行任務更加靈活。

變體轟炸機同樣是強國研發的變體飛機，美國和蘇聯均有成熟的型號，在這方面的技術較為成熟，軍事強國也樂于將資金投入這種強大的戰略裝備中，部分型號甚至仍在服役。既可高空高速飛行、遠程突襲，又可低空突防的轟炸機，對于一般的防空系統來說是非常難以攔截的。

3.2 支援類飛機

3.2.1 預警機

目前的預警機大多是由螺旋槳飛機或民用飛機改裝而成，無法做大過載機動，飛行速度較慢，且隱身性能較差，生存力較低，必須依靠戰斗機護航。而預警機的任務區域卻往往是相當危險的，由于要為戰斗機提供戰場態勢支持，所以有時需要在戰場前沿附近執行預警任務，很容易受到隱身飛機和遠距空空導彈的攻擊，目前的空空導彈很難攔截，預警機僅能依靠自身攜帶的誘餌彈等防御手段進行有限的自衛。變體飛機技術使得預警機可以兼顧高速高機動與長航時能力，在保證長航時預警的前提下，可利用高機動性規避敵機的攻擊，具有較高的生存力。

3.2.2 運輸機

運輸機是戰場中的高價值目標，是戰場中保障物資供給、轉場運輸的重要裝備，是敵人的首要打擊目標之一，運輸機一般機身和翼展較大，機動性差，對護航的依賴性大。利用變體飛機技術賦予運輸機高生存力，使其在戰場中可以安全執行任務，順利保障戰斗機快速機動轉場與物資持續供給，成為穩定的后勤支柱。

3.2.3 加油機

加油機是戰場中的高價值目標，是延長戰斗機作戰半徑的主要裝備，也是敵人的首要打擊目標之一，加油機一般由民用飛機或運輸機改型，機動性差，對護航的依賴性很大。利用變體飛機技術賦予加油機以高生存力使其在戰場中可以安全執行加油任務，有力保障戰斗機實施遠距打擊任務，使加油機成為穩定的戰場支柱。

3.2.4 偵察機

偵察機是獲取戰場情報、監視敵方動態、戰場目標指示的重要裝備，某些電子戰飛機也兼具偵察能力，偵察機的能力強調長航時遠航程、高生存力、傳感器性能和高通信能力等。現有的偵察機主要有三類：一是長航時無人偵察機，該類偵察機的自衛能力和機動性差，生存力較差，信息處理能力有限；二是由戰斗機改型的具有高生存力的偵察機，該類偵察機的航程航時相對較小，信息處理能力有限；三是由民用飛機改型的大型偵察/指揮機，該類偵察機的自衛能力較差，護航依賴性大。利用變體飛機技術研發兼具長航時、高機動、具有強大信息處理能力的偵察機是解決多種偵察機能力矛盾的有效途徑。

3.2.5 電子戰飛機

電子戰飛機是戰場中重要的信息節點，是干擾敵方雷達、通信等設施，實施電磁作戰的重要裝備。現有的電子戰飛機有兩類：一是由運輸機改型的實施遠距支援干擾的大型干擾機；二是由戰斗機改型的可實施遠距和隨隊支援干擾的電子戰飛機。大型干擾機的護送距離有限，面對強敵時無法將戰斗機安全護送至有效攻擊范圍內；高機動電子戰飛機雖然可執行隨隊支援干擾任務，將戰斗機護送到距離目標更近，但由于吊艙的重量和阻力，作戰半徑較同型戰斗機縮減較多。利用變體飛機技術研發一型兼顧長航時/遠航程與高機動的電子戰飛機是解決這一矛盾的有效途徑。

4 結束語

雖然變體飛機技術在冷戰時期被廣泛應用，但是未來依然有其應用前景[13]。歷史表明，變體中的變后掠翼技術是在發動機技術不足的情況下彌補飛機性能的有效手段之一，同時，變后掠翼也是戰略轟炸機彌補短板、提升性能的上佳手段。近年來鮮有變體飛機問世，究其原因主要是材料的輕量化制造遇到“瓶頸”、變體飛機的軍事保障成本較高、變體飛機設計技術沒有突破性進展。隨著設計技術和材料制造技術的發展，除變后掠翼技術外，新的變體飛機技術將應運而生[14]，滿足不斷變化的國際環境和作戰需求，增強其任務靈活性，成為新一代飛機的優選方案之一。

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Research on Application Prospect and Equipment Ancestry of Morphing Aircraft Technology

Han Chuandong， Mei Shoubao

AVIC Shenyang Aircraft Design and Research Institute， Shenyang 110035， China

Abstract： Modern fighter design pursues multi task， high-speed and low-speed flight performance， maneuverability and stealth. These capability requirements are often contradictory in design. Morphing aircraft technology is an effective way to solve these contradictions in aircraft design. This paper sorts out the development history of morphing aircraft， analyzes background， mission and application of foreign morphing aircraft technology of typical morphing aircraft， proposes new application modes of morphing aircraft technology innovatively such as morphing tail， morphing configuration and morphing modularization. It also summarizes main-battle and supporting equipment ancestry of morphing aircraft with affirmation of application value of morphing aircraft technology in future aircraft design and comes up with application direction of morphing aircraft technology. As a result， it can be viewed as a reference for future application of morphing aircraft technology.

Key Words： morphing aircraft； equipment ancestry； variable sweep wing； modularization； fighter； bomber