飛機(jī)氣動布局的發(fā)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(jīng)萊特兄弟成功的飛行實(shí)踐，人類才得以實(shí)現(xiàn)用比空氣重的飛行器飛行的夢想。

從第一架飛機(jī)發(fā)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(shù)的應(yīng)用，飛機(jī)的外形發(fā)生了很大的變化。

人類的第一架飛機(jī)，即萊特兄弟的飛機(jī)現(xiàn)被美國華盛頓國家航空和宇航博物館收藏。這架飛機(jī)的機(jī)身骨架和機(jī)翼由樅木和桉木制成，螺旋槳葉片也是用樅木制成的。該機(jī)安裝有一臺12馬力的活塞發(fā)動機(jī)，由它帶動兩個推進(jìn)式螺旋槳。飛機(jī)的水平安定面和升降舵布置在機(jī)翼之前的飛機(jī)最前部，機(jī)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(jìn)行橫側(cè)操縱。機(jī)尾安裝有帶方向舵的垂尾，飛機(jī)沒有設(shè)置座艙，飛行員靠俯伏在飛機(jī)上實(shí)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(jìn)的步伐更快了。飛機(jī)發(fā)動機(jī)功率不斷增大，設(shè)置了敞開式座艙，水平安定面很快被后置，橫側(cè)操縱由我們所熟悉的副翼代替，用上了后三點(diǎn)式起落架，并出現(xiàn)了單翼機(jī)。

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

在一戰(zhàn)期間，交戰(zhàn)各國的戰(zhàn)斗機(jī)采用了雙翼，甚至出現(xiàn)了三翼，并出現(xiàn)了封閉式座艙，但仍采用后三點(diǎn)式起落架。

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

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

在戰(zhàn)后的冷戰(zhàn)時期，各國加緊了軍備競賽，為適應(yīng)各種條件下的飛行，伴隨著主動控制技術(shù)的逐步成熟，飛機(jī)出現(xiàn)了種種非常規(guī)布局形式。

最初出現(xiàn)的非常規(guī)布局飛機(jī)是無尾飛機(jī)，即飛機(jī)去掉了人們熟悉的水平尾翼。瑞典于1951年底開始設(shè)計(jì)的Saab－35飛機(jī)，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(jī)也采用了無尾布局。沒有了平尾，飛機(jī)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(jī)提供仰和橫側(cè)操縱。采用無尾布局，飛機(jī)結(jié)構(gòu)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(jī)的常用布局，也被較大的“幻影”Ⅳ飛機(jī)所采用。

后掠翼飛機(jī)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(jī)，即F－111。蘇聯(lián)也于1963年開始研制變后掠翼飛機(jī)米格－23。緊隨其后，美國又推出了F－14變后掠翼戰(zhàn)斗機(jī)，蘇聯(lián)則推出了蘇－20、蘇－24等。變后掠翼的優(yōu)點(diǎn)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(jī)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(xiàn)－111還率先采用了可差動偏轉(zhuǎn)的平尾來幫助橫側(cè)操縱。

在美蘇研制變后掠翼飛機(jī)的同時，瑞典則看中了另一種非常規(guī)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(zhàn)斗機(jī)交付試飛，它也是現(xiàn)代鴨式布局的經(jīng)典戰(zhàn)斗機(jī)。與常規(guī)布局不同的是，它的平尾被安裝到了機(jī)翼前方，機(jī)翼為小展弦比三角翼。在跨音速飛行時，該機(jī)前翼壓力中心后移量不大，超音速飛行前翼產(chǎn)生的配平升力，可彌補(bǔ)一定的升力損失。與常規(guī)布局相比，在同樣情況下，這種布局的飛機(jī)升力較大。飛機(jī)的俯仰操縱由升降副翼實(shí)施。這種布局實(shí)際上和萊特兄弟的“飛行者”一號飛機(jī)有些類似，由此可以看出，人們早就認(rèn)識到了鴨式布局的優(yōu)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(diǎn)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(fā)展。

Saab－37設(shè)計(jì)成功之后，瑞典后來的軍機(jī)普遍采用了鴨式布局。事實(shí)上，在Saab－37問世之前，美國的B－70超音速轟炸機(jī)就采用了鴨式布局。B－70于1957年12月提出設(shè)計(jì)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(dá)到了M3。但鴨式布局的大飛機(jī)發(fā)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(jìn)技術(shù)的進(jìn)步，采用常規(guī)布局形式的戰(zhàn)斗機(jī)也取得了重大進(jìn)展，突出的成就是研制成功了垂直起降戰(zhàn)斗機(jī)。英國于1957年開始研制垂直起降戰(zhàn)斗機(jī)，并于1966年8月試飛了世界上第一種實(shí)用型垂直起降戰(zhàn)斗機(jī)“鷂”。該機(jī)采用了轉(zhuǎn)向噴口技術(shù)，可利用從轉(zhuǎn)向噴口噴出的發(fā)動機(jī)噴氣流的反作用力直接使飛機(jī)離地，此時飛機(jī)的狀態(tài)可通過控制設(shè)在翼尖、機(jī)頭、機(jī)尾的噴嘴噴出的氣流來實(shí)施控制。后來，蘇聯(lián)也研制了雅克－38和雅克－141垂直起降戰(zhàn)斗機(jī)。

隨著漩渦氣動力學(xué)的發(fā)展，人們除了知道鴨式布局近距耦合可得到脫體渦，為機(jī)翼提供渦升力之外，還認(rèn)識到了邊條翼的重要性，即邊條也能產(chǎn)生脫體渦，并為位于其后方的機(jī)翼提供渦升力。1963年8月試飛的SR－71高空偵察機(jī)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(jī)俯仰和橫側(cè)用升降副翼實(shí)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(xiàn)，使人們對邊條翼的優(yōu)越性加深了認(rèn)識，同時也認(rèn)識到翼身融合體的優(yōu)點(diǎn)。機(jī)翼和機(jī)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(dǎo)阻力。機(jī)身縱剖面也采用了能產(chǎn)生升力的翼型面，可提高整機(jī)的升力，減輕結(jié)構(gòu)重量。而且，飛機(jī)在獲得最佳升阻比的同時，也得到了更大的機(jī)內(nèi)空間，使機(jī)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(jī)載設(shè)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(shù)還減小了雷達(dá)反射面積，為現(xiàn)代飛機(jī)的隱身技術(shù)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

此后，許多飛機(jī)也采用了翼身融合技術(shù)，如1972年設(shè)計(jì)、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(jī)采用了3裕度電傳操縱系統(tǒng)、高過載座艙。它的空戰(zhàn)襟翼（含前緣襟翼、后緣襟副翼）可隨迎角和飛行M數(shù)的變化進(jìn)行全翼展自動調(diào)節(jié)，能使升阻比達(dá)到最佳化，所以飛機(jī)的飛行性能可大幅度提高?，F(xiàn)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(jìn)氣口的發(fā)動機(jī)，使它們具有了進(jìn)行“眼鏡蛇”機(jī)動飛行的能力，曾引起航空界的廣泛關(guān)注。

邊條翼、高效的機(jī)動襟翼及大推重比發(fā)動機(jī)的應(yīng)用，使許多重型戰(zhàn)斗機(jī)的起飛、著陸性能大幅度提高，如蘇－27飛機(jī)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(jī)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(jī)和變后掠翼飛機(jī)失去了優(yōu)勢，因?yàn)闉楂@得良好的安定和操縱性能，它們要付出配置更大推重比發(fā)動機(jī)的代價；變后掠翼由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量增大，所以現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)幾乎不采用這種布局了?，F(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)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(zhàn)襟翼的混合式機(jī)翼。

于1978年秘密研制、1989年7月首飛的美國B－2飛機(jī)，以其獨(dú)特的外形引起了世人的注意。它在海灣戰(zhàn)爭和科索沃戰(zhàn)爭中的戰(zhàn)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(jī)有8個操縱面，包含6個升降副翼和2個阻流方向舵。發(fā)動機(jī)、外掛武器設(shè)備等全部內(nèi)置。這種采用飛翼布局的飛機(jī)升阻比大，能滿足操縱性和隱身性的要求。由于該機(jī)采用了石墨/碳纖維復(fù)合材料、蜂窩狀雷達(dá)吸波結(jié)構(gòu)、雷達(dá)吸波材料涂層、鋸齒狀雷達(dá)散射結(jié)構(gòu)等，可有效減小整機(jī)的雷達(dá)反射面積。加之將發(fā)動機(jī)內(nèi)置和采用了一系列紅外及可見光隱身措施，所以該機(jī)很難被雷達(dá)、紅外跟蹤。

在采用非常規(guī)布局的飛機(jī)中，值得一提的還有美國的X－29前掠翼驗(yàn)證機(jī)。該機(jī)采用了鴨翼、前掠翼，加后機(jī)身邊條的布局，機(jī)翼內(nèi)側(cè)半翼后掠。它于1981年1月開始設(shè)計(jì)，1984年12月試飛。試飛結(jié)果表明，它與常規(guī)同級后掠翼飛機(jī)相比，在跨音速范圍內(nèi)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(jī)的所有優(yōu)點(diǎn)，但在其機(jī)翼后掠和前掠的結(jié)合處，由于附面層厚，易先發(fā)生氣流分離而導(dǎo)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(chǎn)生的脫體渦卷走這里過厚的附面層，從根本上解決全機(jī)失速不一致的問題。

前掠翼布局的優(yōu)點(diǎn)很早就為人們所知，但它有一個嚴(yán)重的缺陷，那就是氣動彈性發(fā)散問題。如果以加強(qiáng)飛機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度來解決氣動彈性發(fā)散問題，勢必會大大增加飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量。所以，這個問題在相當(dāng)長的時間內(nèi)一直未能解決。直到復(fù)合材料得到發(fā)展并廣泛用于飛機(jī)制造業(yè)，人們有可能使用重量輕、強(qiáng)度高、剛度好的高級復(fù)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(fù)合材料制成的，但該機(jī)并未發(fā)展到投入批量生產(chǎn)，前掠翼技術(shù)也一直未用到美國新設(shè)計(jì)的飛機(jī)上。

俄羅斯于1997年9月25日試飛了С－37前掠翼隱身戰(zhàn)斗機(jī)。該機(jī)是在80年代美國研制F－22先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗機(jī)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(zhàn)斗機(jī)，和X－29比較，外觀大致相同，不同的是：該機(jī)在鴨翼、前掠翼布局的基礎(chǔ)，還采用了蘇霍伊設(shè)計(jì)局自蘇－27飛機(jī)后所慣用的翼身融合體，致使飛機(jī)的升阻比得到進(jìn)一步提高，重量進(jìn)一步減輕，也有效地改善了飛機(jī)的機(jī)動性。由于這種布局的本身減小了飛機(jī)雷達(dá)反射面積，加上又采用了一系列隱身技術(shù)，所以它的隱身性能有較大幅度提高。該機(jī)還保留了傳統(tǒng)的平尾布局形式，由操縱全動平尾來實(shí)施全機(jī)的俯仰操縱。

從理論上看，應(yīng)該說С－37的氣動布局是最佳的，預(yù)計(jì)這種布局形式將會成為未來作戰(zhàn)飛機(jī)的新模式，而一些大型飛機(jī)在技術(shù)條件成熟的情況下，也有可能仿效。