“一體化”今昔談

何述章

在最近的國(guó)際大型航展或電視節(jié)目中，有許多人都曾看到過這樣一些鏡頭：俄羅斯的蘇－37超機(jī)動(dòng)戰(zhàn)斗機(jī)輕盈地在空中作著各種超乎尋常的高難度動(dòng)作；美國(guó)的新一代戰(zhàn)斗機(jī)F－22“猛禽”拔地而起；象一只巨大的黑蝙蝠一樣的隱身轟炸機(jī)B－2翱翔于藍(lán)天白云之間……

這些現(xiàn)代飛機(jī)雖然各不相同，但都通體光滑，那怕是較小的凸包或突起物都很難找到；戰(zhàn)斗機(jī)那小展弦比的菱形機(jī)翼和短而寬的機(jī)身渾然一體，共同組成一個(gè)巨大的升力面。另有消息說，歐洲空中客車公司已經(jīng)宣布：載客上千人的飛翼式運(yùn)輸機(jī)和鐵餅式客機(jī)將在21世紀(jì)問世。

凡此種種，莫不向人們傳達(dá)一個(gè)信息，一種古老而又年輕的航空技術(shù)將向世人展示新的風(fēng)采。這項(xiàng)航空技術(shù)就是飛機(jī)設(shè)計(jì)中的一體化。它在長(zhǎng)期實(shí)踐和應(yīng)用的探索過程中，不斷提高，逐步走向成熟，與其它航空新技術(shù)相互聯(lián)系又相互融合，共同推動(dòng)著飛機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的向前發(fā)展。

從廣義上來(lái)講，一體化這一概念涉及到諸多領(lǐng)域，如設(shè)計(jì)一體化、人機(jī)一體化和陸?？兆鲬?zhàn)一體化等，本文主要談?wù)勶w機(jī)設(shè)計(jì)中一體化技術(shù)及其應(yīng)用。這其中又包括兩個(gè)方面：一是飛機(jī)內(nèi)部空間的一體化設(shè)計(jì)和利用；二是機(jī)翼和機(jī)身的相互融合。

回顧航空事業(yè)的發(fā)展歷史，人們對(duì)一體化思想和技術(shù)的探索由來(lái)已久……

早期飛機(jī)的一體化設(shè)計(jì)

德國(guó)著名的飛機(jī)設(shè)計(jì)師胡戈·容克斯是研制金屬飛機(jī)的先行者，也是一個(gè)采用一體化思想設(shè)計(jì)飛機(jī)的先驅(qū)。早在1910年，他就設(shè)計(jì)了一架代號(hào)為“容克”1000的一體化飛機(jī)。實(shí)際上，這架飛機(jī)是飛翼和短艙的結(jié)合體，主體部分是一個(gè)巨大的飛翼，其展長(zhǎng)80米，中部最大弦長(zhǎng)10米，最大厚度2.3米。飛翼的下翼面與兩個(gè)短艙相連接，其內(nèi)部也是相通的。機(jī)上有10名乘務(wù)員，可載100名旅客。駕駛艙和客艙全都安排在機(jī)翼上。兩個(gè)短艙的前段為餐廳，能同時(shí)容納36人就餐；短艙后段是起落架艙和貨艙。動(dòng)力裝置為四臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，分別安裝于兩側(cè)的機(jī)翼前緣。

容克斯的這個(gè)方案設(shè)計(jì)出來(lái)以后，并沒有把它制造出來(lái)。他認(rèn)識(shí)到這個(gè)方案似乎有些超前，按當(dāng)時(shí)的制造水平難以做到，于是決定放棄。

1929年，他又設(shè)計(jì)了一架一體化飛機(jī)，代號(hào)為“容克G－38”，并把它造出來(lái)了。從外形上看，這是一架具有傳統(tǒng)布局的飛機(jī)，采用了中單翼，翼展有44米，機(jī)翼中段最大弦長(zhǎng)為10米，機(jī)翼根部的厚度為1.7米。兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)裝在機(jī)翼中段前緣。

“容克G－38”的最大特點(diǎn)是除機(jī)身內(nèi)有客艙外，在每邊機(jī)翼的根部還設(shè)有客艙。機(jī)翼客艙與機(jī)翼客艙是相通的。兩邊的機(jī)翼客艙內(nèi)各安排了6個(gè)座位，也就是說全機(jī)共36乘客中有12人是在機(jī)翼客艙內(nèi)。他們通過機(jī)翼前緣的玻璃窗，可以自由自在地眺望下面的景色?！叭菘薌－38”總共只制造了兩架，其中一架后來(lái)加入了德國(guó)航空運(yùn)輸公司作為班機(jī)使用，另一架在二戰(zhàn)期間被日本改裝成92式重型轟炸機(jī)。

一體化與飛翼

在飛行器設(shè)計(jì)中，如果說一體化設(shè)計(jì)是將內(nèi)部空間和外部形式都統(tǒng)一起來(lái)考慮的話，那么飛翼是最典型的一體化飛行器，同時(shí)也是最“古老”的。早在20年代初就有人研制這種飛行器，如1921年，德國(guó)的亞歷山大·利比肖就設(shè)計(jì)了一種稱為“RRC三角翼”的飛翼式飛機(jī)。該機(jī)全機(jī)為三角形，在后裝一臺(tái)推進(jìn)式發(fā)動(dòng)機(jī)，垂直尾翼裝在兩個(gè)機(jī)翼的翼尖上。1930年試飛時(shí)未達(dá)到預(yù)期效果，因此被認(rèn)為無(wú)實(shí)用價(jià)值而放棄了。1939年，利比肖又制成了一架“RRC三角翼V”飛翼，也只進(jìn)行了試飛，而沒有投產(chǎn)。

美國(guó)的克洛德·斯奈達(dá)，從自然界片狀物體的飄飛現(xiàn)象中受到啟示，萌發(fā)了研制飛翼的念頭。于是從1932年開始，先制造了一架飛翼式滑翔機(jī)“ARUP1號(hào)”。以后，在這架滑翔機(jī)的基礎(chǔ)上安裝一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，變成了飛機(jī)，但試飛效果不佳。接著他又制造了“ARUP2號(hào)”飛翼機(jī)，裝一臺(tái)36馬力的發(fā)動(dòng)機(jī)，試飛獲得成功，但由于資金短缺，只生產(chǎn)了兩架，有一架交付使用過。

研制飛翼式飛行器的先驅(qū)人物，還有德國(guó)的豪丁兄弟、美國(guó)的金馬曼和豪特等人，其中最有名的是美國(guó)諾斯羅普飛機(jī)公司的創(chuàng)始人杰克·諾斯羅普。他以在二戰(zhàn)中設(shè)計(jì)了著名的P－61“黑寡婦”而聞名于世，實(shí)際上他還設(shè)計(jì)了一系列飛翼。年輕時(shí)，諾斯羅普對(duì)研究飛翼有濃厚的興趣，1929年他曾設(shè)計(jì)了一架名為N9M的飛翼試驗(yàn)機(jī)，該機(jī)裝有垂直尾翼。1943年他又設(shè)計(jì)了一架沒有垂尾的YB－35飛翼式飛機(jī)，并得到了軍方的支持。

YB－35采用箭形翼，乘員艙在中部靠前位置，四臺(tái)活塞螺槳發(fā)動(dòng)機(jī)裝在機(jī)翼后緣。該機(jī)機(jī)體碩大，翼展52.4米，機(jī)長(zhǎng)16米，機(jī)高6.1米?？偵γ娣e372平方米。起飛重量約70噸，最大時(shí)速629公里，最大航程16000公里。YB－35是按重型轟炸機(jī)要求設(shè)計(jì)的，但試飛中發(fā)現(xiàn)操縱困難、機(jī)體振動(dòng)嚴(yán)重等問題，不得不中途放棄。諾斯羅普并未因此而灰心，1945年他又提出了研制噴氣飛翼的計(jì)劃，并于同年與美國(guó)空軍簽訂了制造兩架原型機(jī)的合同，1947年月10月21日第一架原型機(jī)試飛，這就YB－49飛翼轟炸機(jī)。

YB－49基本保持了YB－35的氣動(dòng)外形，機(jī)體由一對(duì)后掠梯形翼組成，其前緣后掠翼為28度、后緣后掠角10度。駕駛艙和乘員艙設(shè)在飛翼中部前方，后面有一個(gè)可以向后延伸的尾錐，可以起到整流作用，也是尾炮塔的外殼，內(nèi)裝四挺12.7毫米口徑的機(jī)炮。YB－49裝八臺(tái)渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，單臺(tái)推力17.8千牛（1815公斤）。發(fā)動(dòng)機(jī)分別埋裝于機(jī)翼中部，每側(cè)四臺(tái)，進(jìn)氣口位于機(jī)翼前緣。為了增加飛翼的方向穩(wěn)定性，在每側(cè)機(jī)翼的后緣加裝了兩個(gè)垂直尾翼。

諾斯羅普認(rèn)為，飛翼承受的全部重力都是沿展向分布的，與機(jī)翼的氣動(dòng)載荷分布情況基本一致。而不象普通飛機(jī)那樣，重力主要集中在飛機(jī)中部，機(jī)翼要承受很大的彎曲載荷。因此，采用飛翼布局，不但升力大、阻力小，升阻比也大，而且結(jié)構(gòu)重量也比較輕。YB－49正是采用了這種設(shè)計(jì)，所以獲得了成功。在試飛過程中，YB－49創(chuàng)造過多項(xiàng)世界航空紀(jì)錄，如832公里/小時(shí)的飛行速度和12180米的升限等，這些紀(jì)錄在當(dāng)時(shí)都是名列前茅的。

歸納起來(lái)飛翼式設(shè)計(jì)主要有這幾方面的優(yōu)點(diǎn)：一是它和三角翼飛機(jī)一樣具有良好的穩(wěn)定性，當(dāng)它在飛行中受到氣流擾動(dòng)時(shí)，能自動(dòng)從不穩(wěn)定狀態(tài)恢復(fù)到正常狀態(tài)，不需要飛行員的干預(yù)；二是即使飛機(jī)進(jìn)入失速螺旋狀態(tài)，也能保持其操縱性和穩(wěn)定性；三是由于機(jī)翼與機(jī)身平滑連接融為一體，機(jī)身完全隱埋，所以總體阻力大大減小，同時(shí)機(jī)體內(nèi)部的空間能得到有效利用。

進(jìn)入50年代后，一體化設(shè)計(jì)思想已開始被人們所認(rèn)同，其技術(shù)也開始走向?qū)嵱?，于是出現(xiàn)了一些實(shí)用的飛翼式轟炸機(jī)。

“火神”與B－2

第二次世界大戰(zhàn)后，美、蘇、英等國(guó)為了加強(qiáng)空中威懾力量，競(jìng)相發(fā)展戰(zhàn)略轟炸機(jī)。1947年1月，英國(guó)空軍提出研制中程戰(zhàn)略轟炸機(jī)的戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)要求，有五家飛機(jī)制造公司參加投標(biāo)競(jìng)爭(zhēng)，結(jié)果有三家公司的方案中標(biāo)，要求制造原型機(jī)。三家公司的原型機(jī)分別為阿弗洛公司的“火神”（Vulcan）、漢德利·佩奇公司的“勝利者”（Victor）和維克斯公司的“勇士”（Viliant）。由于它們的英文名字都是V字打頭，所以統(tǒng)稱為“3V轟炸機(jī)”。1951年和1952年，這三種轟炸機(jī)開始進(jìn)行飛行試驗(yàn)。

“火神”是“3V轟炸機(jī)”中的佼佼者，性能最好，生產(chǎn)數(shù)量最多（共生產(chǎn)約110架），服役時(shí)間也最長(zhǎng)。“火神”采用無(wú)尾三角翼布局，是現(xiàn)代轟炸機(jī)中采用飛翼式設(shè)計(jì)的一個(gè)成功范例。該機(jī)翼展34米，機(jī)長(zhǎng)30米，機(jī)翼面積達(dá)368平方米。它與一般的三角翼飛機(jī)不同的是，機(jī)翼前緣后掠角是變化的。從翼根到翼尖，后掠角從大變小，形成了一個(gè)弧形前緣。而且翼根弦長(zhǎng)很大，差不多把整個(gè)機(jī)身都包起來(lái)了。四臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)稱地安裝在機(jī)身兩側(cè)的翼根處。

“火神”共有兩種生產(chǎn)型，其中“火神”B Mk1裝四臺(tái)奧林帕斯101、102或104型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，單臺(tái)推力分別為48.5千牛、53千牛和57.4千牛。1955年2月首次試飛，1957年開始裝備部隊(duì)，第一批共生產(chǎn)45架?！盎鹕瘛盉 Mk2與前者相比，換裝了推力更大的奧林帕斯201或301型發(fā)動(dòng)機(jī)，機(jī)翼面積加大，形狀也作了修改，機(jī)頭加裝了空中加油受油管。1958年8月首次試飛，1960年開始交付部隊(duì)使用。

“火神”的起飛重量為90噸，最大載彈量9.5噸，最大平飛速度1000公里/小時(shí)，實(shí)用升限19800米，作半徑3700公里。在1982年4月的英阿馬島沖突中，“火神”作為英國(guó)的戰(zhàn)略轟炸機(jī)參加了作戰(zhàn)，于5月1日凌晨用水平投彈方式轟炸了馬島首府斯坦利港，但由于航程的限制，沒能對(duì)阿根廷造成更大的威脅。

在布局上與“火神”相似的，是美國(guó)80年代中后期開始研制的B－2戰(zhàn)略轟炸機(jī)。1981年10月，諾斯羅普飛機(jī)公司重操“舊業(yè)”，又開始研制新型的飛翼式飛機(jī)，當(dāng)時(shí)稱這一項(xiàng)目為ATB計(jì)劃，即先進(jìn)技術(shù)轟炸機(jī)。與從前的YB－49不同的是，這是一架集先進(jìn)技術(shù)、設(shè)備和材料于一身的隱身轟炸機(jī)。1988年11月，B－2首次試飛。當(dāng)它被拖出廠房公開亮相時(shí)，立即把人們驚呆了。該機(jī)外形奇特，完全看不出機(jī)身機(jī)翼，也沒有平尾、垂尾等任何突出物，只有飛行員座艙略微凸起，全機(jī)猶如一個(gè)大的等腰三角翼，其后緣呈W形鋸齒狀，并裝有操縱面。

B－2轟炸機(jī)的內(nèi)部空間也得到了最大限度的利用，飛翼的兩側(cè)外段是整體油箱；起落架艙、發(fā)動(dòng)機(jī)艙和武器艙依次從外向內(nèi)一字排開；各種機(jī)載設(shè)備均埋裝于機(jī)體之內(nèi)，從外面根本看不出來(lái)。該機(jī)裝四臺(tái)通用電氣公司研制的F118－GE－100型渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)，單臺(tái)最大推力84.5千牛。巡航速度900公里/小時(shí)，實(shí)用升限15200米，空中不加油航程8000～12200公里。最大起飛重量170噸，最大載彈量18噸。B－2可算是目前世界上最昂貴的飛機(jī)，總共21架，平均每架超過21億美元。

一體化與翼身融合體

從60年代初期開始出現(xiàn)邊條翼和翼身融合體技術(shù)。1959年美國(guó)洛克希德飛機(jī)公司開始為美國(guó)空軍秘密研制一種速度可以達(dá)到M3的高速飛機(jī)，后來(lái)在此基礎(chǔ)上發(fā)展成YF－12遠(yuǎn)程截?fù)魴C(jī)和SR－71戰(zhàn)略偵察機(jī)。前者中途停止發(fā)展，后者60年代中期試飛并少量生產(chǎn)，至今仍在使用。

SR－71率先采用了邊條翼和翼身融合體技術(shù)。所謂翼身融合體，即將機(jī)翼和機(jī)身統(tǒng)一進(jìn)行一體設(shè)計(jì)，彼此難分界線，融為一體。而不是象普通飛機(jī)那樣機(jī)翼、機(jī)身分別設(shè)計(jì)，然后對(duì)接起，相互之間界線分明。在翼根前緣的前機(jī)身兩側(cè)，還加裝了長(zhǎng)而扁的大邊條翼，使飛機(jī)機(jī)身不僅具有裝載人員、設(shè)備和連接其它各部件的功能，同時(shí)也是一個(gè)升力體，可為飛機(jī)增升減阻。據(jù)介紹，SR－71在亞音速飛行時(shí)，升阻比可達(dá)到11.5；在超音速飛行時(shí)，升阻比也可達(dá)到6.1～6.5。另外從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，不僅有利于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的增加和結(jié)構(gòu)重量的減小，而且可利用空間擴(kuò)大，如翼身融合部位和邊條翼內(nèi)的空間都可以利用，用來(lái)作偵察設(shè)備或武器艙等，可謂一舉多得。

除此以外，美國(guó)的F－16戰(zhàn)斗機(jī)、B－1超音速轟炸機(jī)和第四代超音速戰(zhàn)斗機(jī)F－22（包括另一種原型機(jī)YF－23），以及俄羅斯（前蘇聯(lián)）的米格－29、蘇－27及其派生型戰(zhàn)斗機(jī)和圖－160轟炸機(jī)等，都不同程度地采用了邊條翼和翼身融合體技術(shù)，且有所發(fā)展，同時(shí)又各具特色，從而構(gòu)成了新一代軍機(jī)的獨(dú)特風(fēng)貌。

一體化與隱身技術(shù)

從上面的介紹來(lái)看，邊條翼與翼身融合體幾乎是同時(shí)出現(xiàn)和被應(yīng)用于飛機(jī)設(shè)計(jì)上的，猶如孿生兄弟。它們不僅有利于改善飛機(jī)的氣動(dòng)特性，提高升阻比，同時(shí)對(duì)提高飛機(jī)的隱身性能也是大有好處的。

我們都知道，美國(guó)在研制新一代超音速戰(zhàn)斗機(jī)時(shí)，曾出現(xiàn)過YF－22和YF－23兩種原型機(jī)，雖然在競(jìng)爭(zhēng)中，YF－22獲勝，成為第四代超音速戰(zhàn)斗機(jī)（生產(chǎn)型名為F－22），但從氣動(dòng)外形上來(lái)看，其隱身能力后者是優(yōu)于前者的。

這兩種原型機(jī)雖然都采用了邊條翼和翼身融合體設(shè)計(jì)，但YF－22的翼身連接分明，且見棱見角；而YF－23的外形設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，主要由曲線組成，翼身連接光滑，兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)埋裝于機(jī)身后部，進(jìn)氣道采用S形設(shè)計(jì)。這些措施都有利于減小飛機(jī)的雷達(dá)反射截面積，提高飛機(jī)的隱身性能。至于最終為什么是YF－22獲勝，主要是綜合折衷的結(jié)果。對(duì)于第四代超音速戰(zhàn)斗機(jī)不僅要求隱身性能，同時(shí)也要具備超音速巡航能力和機(jī)動(dòng)性能等。綜合起來(lái)考慮，YF－23可能不如YF－22，而單從隱身性能上講，YF－23是占優(yōu)勢(shì)的。

F－117是世界上第一種實(shí)用的隱身戰(zhàn)斗/攻擊機(jī)，也是采用一體化設(shè)計(jì)的典型。該機(jī)采用錐狀多面體機(jī)身和后掠下單翼布局，兩翼前均為直線，相交于機(jī)頭，形成一個(gè)大三角，翼身之間難以區(qū)分；兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)埋裝于機(jī)體之內(nèi)，進(jìn)氣道和尾噴口都有采取了屏蔽措施；尾翼呈V字形，相互夾角85度，后角65度；在機(jī)體上，所有的艙門和口蓋均采用鋸齒邊設(shè)計(jì)；加上在結(jié)構(gòu)上大量使用新型材料，如先進(jìn)的復(fù)合材料和表面吸波涂層等。由于采用了這些先進(jìn)技術(shù)，并通過一體化設(shè)計(jì)，使F－117的雷達(dá)反射截面積（RCS）達(dá)到了0.01平方米的水平，比一個(gè)飛行員頭盔的RCS值還要小。

再說，還有一種差不多和B－2轟炸機(jī)同時(shí)露面，后又很快消失的A－12隱身攻擊機(jī)。這也是一種飛翼式飛機(jī)，平面形狀為三角形，其前緣和后緣都呈直線，周身平滑無(wú)突出物，只有飛行員座艙稍稍隆起。這樣的氣動(dòng)外形，加上采用先進(jìn)的結(jié)構(gòu)材料和吸波涂層等措施，其隱身性能也是不錯(cuò)的。

未來(lái)的一體化趨勢(shì)

隨著時(shí)間的發(fā)展，一體化思想和技術(shù)不僅在軍用飛機(jī)設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用，而且將在民用飛機(jī)設(shè)計(jì)和其它領(lǐng)域中得到應(yīng)用和推廣。

前面已經(jīng)提到，歐洲空中客車公司已經(jīng)宣布：載客上千人的飛翼式運(yùn)輸機(jī)和鐵餅式客機(jī)將在21世紀(jì)問世。關(guān)于飛翼式運(yùn)輸機(jī)有人已提出設(shè)想，并曾見諸報(bào)端。這是一個(gè)寵然大物，寬大的機(jī)體僅由兩個(gè)帶有后掠的機(jī)翼組成，體內(nèi)既可載物也可載人，而且數(shù)量達(dá)千人之眾。至于設(shè)計(jì)特點(diǎn)與前面介紹的飛翼式飛行器大同小異，在此不再重復(fù)。

所謂鐵餅式客機(jī)，是將機(jī)體中部設(shè)計(jì)成中間厚四周薄的圓形狀，形如田徑運(yùn)動(dòng)員使用的鐵餅，加上平滑連接的短小外翼，共同組成一個(gè)巨大的升力體。旅客艙安排在鐵餅形機(jī)體和翼身之間，艙內(nèi)有多條通道，每排座位數(shù)為30至40人。這種布局的飛行器和飛翼式運(yùn)輸機(jī)異曲同工，將大大提高民航的運(yùn)力，滿足人們出行的需要。當(dāng)然，這種鐵餅式客機(jī)目前也只是一種設(shè)想，要成為現(xiàn)實(shí)尚待時(shí)日。

此外有人認(rèn)為，水平起飛和水平著陸的空天飛機(jī)也將在21世紀(jì)誕生。這種既可在大氣層中，也可在空間軌道上飛行的超高速飛機(jī)，從地面起飛、加速后，將以M25的高超音速入軌，并可在空間軌道上以M5至M25的高超音速飛行，然后再入大氣層返回地面。這么高的速度，為了減小其阻力，一體化的翼身融合體設(shè)計(jì)不失為一種可行的選擇。實(shí)際上，這種選擇在美國(guó)的X－30、英國(guó)的“霍托爾”和德國(guó)的“桑格爾”等空天飛機(jī)方案上，已初見端倪?？傊?，一體化思想和技術(shù)將在更多的領(lǐng)域中得到應(yīng)用和推廣，這恐怕也是一種趨勢(shì)?！?/p>