變后掠翼技術(shù)概覽

龍　濱

變翼之緣起

所謂變后掠翼技術(shù)(variable-sweep wing)，就是指飛機(jī)在飛行過程中可以改變機(jī)翼后掠角度。這看似貌不驚人的變化對(duì)飛行性能有著巨大的應(yīng)用潛力，這意味著飛機(jī)能夠在飛行中改變自己的基本構(gòu)型，可以根據(jù)環(huán)境的不同實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的飛行效能。

一般而言，后掠翼最適合高速飛行，而近似平直的機(jī)翼則更適合低速飛行——飛機(jī)的起降就屬于這種情況。如果機(jī)翼的后掠角可以變化，那么飛行員就能根據(jù)飛機(jī)速度的不同要求選擇合適的機(jī)翼后掠角。對(duì)于那些希望在

高速和低速條件下都有良好表現(xiàn)的飛機(jī)，特別是軍用飛機(jī)，變后掠翼技術(shù)的確魅力不小。

但是，變后掠翼技術(shù)造成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及設(shè)計(jì)方面的問題部分地抵消了變后掠翼給飛行性能帶來的優(yōu)勢(shì)。也正是因?yàn)檫@一原因，變后掠翼技術(shù)只是小范圍應(yīng)用在部分軍用飛機(jī)上，沒有在大范圍開花結(jié)果。

早在1911年，法國(guó)人就開始了對(duì)變后掠翼技術(shù)的嘗試。二戰(zhàn)爆發(fā)前，德國(guó)設(shè)計(jì)師阿道夫·布希曼博士(AdolfBuseman)曾在羅馬召開的一次國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議上提出過一種實(shí)用性可動(dòng)翼概念。按照他的理論，梅塞施密特公司在1942年開發(fā)了一種可變后掠翼試驗(yàn)機(jī)P.1101。該機(jī)的機(jī)翼不能在飛行中移動(dòng)，但可以在地面上進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)不同的后掠角。這種技術(shù)超前的飛機(jī)還沒來得及量產(chǎn)，戰(zhàn)爭(zhēng)便已經(jīng)結(jié)束。二戰(zhàn)結(jié)束時(shí)，美國(guó)人繳獲了P.1101并將其運(yùn)回美國(guó)。通過在貝爾飛機(jī)公司進(jìn)行的研究，美國(guó)人發(fā)現(xiàn)，P.1101裝備的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)推力非常有限，這樣的條件下采用變后掠翼技術(shù)是否能夠有很好的效果還值得懷疑，但不管怎么說，德國(guó)人的設(shè)計(jì)給了美國(guó)人很好的啟發(fā)。后來，貝爾飛機(jī)公司在研究成果的基礎(chǔ)上開發(fā)了能夠在飛行中改變機(jī)翼后掠角的X-5驗(yàn)證機(jī)。但在測(cè)試中人們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問題，即貝爾X-5的機(jī)翼在呈大后掠角時(shí)，其升力中心也會(huì)同時(shí)后移，導(dǎo)致飛機(jī)產(chǎn)生低頭力矩，機(jī)頭下俯。要解決這一問題，就需要給變后掠翼設(shè)計(jì)的飛機(jī)安裝一套自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)。

二戰(zhàn)后，英國(guó)工程師巴恩內(nèi)斯·沃利斯(Bames Wallis)開始對(duì)變后掠翼技術(shù)進(jìn)行實(shí)用性研究，以期能提高超聲速飛行的經(jīng)濟(jì)性。這一項(xiàng)目最初在軍方的“野鵝”計(jì)劃中進(jìn)行，后來軍方又開展了“維克斯燕子”計(jì)劃，希望能夠讓新研制的作戰(zhàn)飛機(jī)在10小時(shí)內(nèi)從歐洲到澳洲飛上一個(gè)來回。該計(jì)劃提出的設(shè)計(jì)方案采用了翼身融合設(shè)計(jì)和無尾布局，沃利斯對(duì)幾種模型進(jìn)行了測(cè)試，還在上世紀(jì)50年代對(duì)一個(gè)6英尺(1英尺合0.3048米)大小的縮比模型進(jìn)行了高達(dá)馬赫數(shù)2的風(fēng)洞測(cè)試，但后來政府的資助終止，這一項(xiàng)目也就沒能進(jìn)行下去。

后來美國(guó)人拿到了英國(guó)人的設(shè)計(jì)資料——當(dāng)時(shí)美國(guó)希望繼續(xù)展開研究，但最終還是沒有什么進(jìn)展。1949年，航空工程師貝尼斯(Baynes)申請(qǐng)了一項(xiàng)關(guān)于變后掠翼超聲速戰(zhàn)斗機(jī)的設(shè)計(jì)專利，但這一方案也沒能投產(chǎn)。

1952年，美國(guó)在格魯曼FIOF“美洲虎”戰(zhàn)斗機(jī)上試驗(yàn)了變后掠翼技術(shù)，但XFIOF最終沒能投入使用，該機(jī)的飛行性能實(shí)在太差，而且非常容易進(jìn)入危險(xiǎn)的螺旋。

老概念與新矛盾

變后掠翼技術(shù)再次復(fù)蘇是在上世紀(jì)60年代初。當(dāng)時(shí)軍用作戰(zhàn)飛機(jī)的重量越來越大，飛機(jī)全重與外形尺寸的立方成正比，而機(jī)翼面積卻只能按平方增加，如此一來，飛機(jī)的翼載也就更大，但同時(shí)這些飛機(jī)還要具備良好的起降性能，設(shè)計(jì)人員必須找到合理的解決辦法，于是人們?cè)俣认氲搅藥锥然膹U的變后掠翼技術(shù)。美國(guó)在戰(zhàn)術(shù)試驗(yàn)戰(zhàn)斗機(jī)(TFX)計(jì)劃中采用了變后掠翼技術(shù)，后來誕生了通用動(dòng)力的F－111戰(zhàn)斗轟炸機(jī)，這也是世界上第一種量產(chǎn)的變后掠翼戰(zhàn)斗機(jī)。

說起來，在飛機(jī)出現(xiàn)后經(jīng)過數(shù)十年的設(shè)計(jì)和制造過程，似乎應(yīng)該出現(xiàn)的一個(gè)現(xiàn)象是：所有用途相同或相近的飛機(jī)都應(yīng)該有著接近的外觀，也就是說所有的戰(zhàn)斗機(jī)應(yīng)該有近似的模樣，而旅客機(jī)也應(yīng)如此。但事實(shí)上這種情況并未出現(xiàn)。在噴氣時(shí)代出現(xiàn)五十多年之后，處于同一時(shí)代的噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)外觀也都具有很大的差異。造成這種差異的原因主要是技術(shù)水平的不同，此外文化的差異也是一個(gè)或多或少的因素。那些航空工程技術(shù)人員也和其他人一樣，他們會(huì)有某種偏好，可能會(huì)熱衷于某些設(shè)計(jì)理念，而忽視這種理念所帶來的問題。這種現(xiàn)象在變后掠翼技術(shù)上體現(xiàn)得尤為突出。

后掠翼技術(shù)的采用已經(jīng)向人們證明，這種設(shè)計(jì)方式可以讓人們獲得過去平直機(jī)翼無法獲得的高速飛行性能。平直機(jī)翼在短距起降、低速飛行方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，同時(shí)燃油經(jīng)濟(jì)性較好，但后掠翼對(duì)于高速飛行特別是超聲速飛行卻無與倫比。遺憾的是，幾乎所有的飛機(jī)都是設(shè)計(jì)師們經(jīng)過權(quán)衡和折中之后的結(jié)果，有些飛機(jī)需要高速飛行，而其他一些飛機(jī)則要低速飛行。有些飛機(jī)必須具備較高的燃油經(jīng)濟(jì)性，而另一些飛機(jī)則需要不計(jì)成本地執(zhí)行任務(wù)。設(shè)計(jì)師總是試圖讓飛機(jī)達(dá)到最優(yōu)性能，以期勝任其使命。但有時(shí)飛機(jī)要求的性能和設(shè)計(jì)之間卻會(huì)存在不可調(diào)和的矛盾。最明顯的例子就是，軍用作戰(zhàn)飛機(jī)既要能超聲速高速飛行，同時(shí)又要能以較低的速度進(jìn)行起降——如果是在航空母艦上，這一要求就更為重要。

前蘇聯(lián)中央流體力學(xué)研究院(TsAGI)也試圖解決飛機(jī)重量和起降性能之間的矛盾，也考慮過使用變后掠翼技術(shù)。TsAGI設(shè)計(jì)了兩種獨(dú)特的變后掠翼方案，兩者的機(jī)冀旋轉(zhuǎn)中心間距不同。蘇聯(lián)人發(fā)現(xiàn)，增大機(jī)翼旋轉(zhuǎn)中心的間距，不僅能夠降低機(jī)翼改變后掠角時(shí)帶來的氣動(dòng)性方面的負(fù)面影響，還能增加機(jī)翼固定部分的面積，從而為起落架收放以及武器掛點(diǎn)提供足夠的空間。這種變后掠翼設(shè)計(jì)方案可以很容易地“嫁接”到現(xiàn)有的機(jī)身設(shè)計(jì)方案上，事實(shí)上蘇聯(lián)人也正是這么做的。他們?cè)谠械暮舐右硖K－7戰(zhàn)斗機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展出了蘇－17變后掠翼戰(zhàn)斗機(jī)；在圖－22“眼罩”轟炸機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展出了圖－22M“逆火”。當(dāng)然，增加機(jī)翼旋轉(zhuǎn)中心間距也會(huì)帶來負(fù)面效應(yīng)，那就是降低變后掠冀所帶來的性能優(yōu)勢(shì)——當(dāng)然這樣也會(huì)減少變后掠翼設(shè)計(jì)的技術(shù)難度。后來，TsAGI也推出了新的窄旋轉(zhuǎn)中心間距設(shè)計(jì)方案——和美國(guó)F－111類似——這一方案后來應(yīng)用在上世紀(jì)60年代末首飛的米格－23“鞭撻者”和蘇，24“擊劍手”上，并于上世紀(jì)70年代初開始服役。

在放棄了TSR-2方案后，英國(guó)人也開始和法國(guó)人合作開發(fā)一種變后掠翼作戰(zhàn)飛機(jī)(AFVG，意為英法合作變后掠翼飛機(jī))，后來法國(guó)因故退出該項(xiàng)目，英國(guó)又同歐洲其他幾國(guó)一起合作，最終開發(fā)出“狂風(fēng)”變后掠翼戰(zhàn)斗機(jī)——一種類似于F－111但外形稍小的遮斷戰(zhàn)斗／截?fù)魴C(jī)。與此同時(shí)，美國(guó)海軍也打算用格魯曼F－14“雄貓”取代早前下馬的艦載截?fù)魴C(jī)F-111B?！靶圬垺蓖瑯硬捎米兒舐右?/p>

技術(shù)，以兼顧航母甲板起降要求以及高速截?fù)糇鲬?zhàn)的需要。雖然作為艦載截?fù)魴C(jī)的“雄貓”在設(shè)計(jì)之初并未把機(jī)動(dòng)性作為重點(diǎn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，但最終量產(chǎn)的“雄貓”卻還是相當(dāng)敏捷——盡管它的發(fā)動(dòng)機(jī)推力并不算十分出色?！靶圬垺钡臋C(jī)動(dòng)性大大超過了F-111、“狂風(fēng)”以及蘇聯(lián)幾乎所有的變后掠冀戰(zhàn)斗機(jī)，這一切都應(yīng)該歸功于“雄貓”更低的有效翼載(機(jī)身良好的氣動(dòng)設(shè)計(jì)還提供了額外的升力)，以及由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制的變后掠方式。不僅是戰(zhàn)斗機(jī)，變后掠翼設(shè)計(jì)思想還蔓延到了大型作戰(zhàn)飛機(jī)。洛克韋爾公司在先進(jìn)有人駕駛戰(zhàn)略轟炸機(jī)項(xiàng)目(AMSB)上也采用了變后掠翼，并最終發(fā)展成B－1“槍騎兵”。美國(guó)人希望如此設(shè)計(jì)能讓“槍騎兵”兼具良好的巡航經(jīng)濟(jì)性和超聲速低空突防能力(當(dāng)然這個(gè)“結(jié)合”實(shí)際的效果并不夠理想)。繼“槍騎兵”之后，蘇聯(lián)也開發(fā)出了一種大型變后掠翼戰(zhàn)略轟炸機(jī)——圖波列夫圖－160“海盜旗”，該機(jī)于1980年首飛，也是最后一種變后掠翼軍用飛機(jī)。

魚與熊掌的邏輯

民用飛機(jī)也曾考慮過變后掠翼設(shè)計(jì)，當(dāng)年波音公司在參加美國(guó)聯(lián)邦航空局(FAA)關(guān)于超聲速運(yùn)輸機(jī)2707研究項(xiàng)目時(shí)，就曾采用過變后掠翼設(shè)計(jì)。但在設(shè)計(jì)過程中，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)變后掠翼結(jié)構(gòu)重量太大，而其占用的空間也會(huì)讓載荷空間變得捉襟見肘，這些都是對(duì)經(jīng)濟(jì)性要求頗高的民用運(yùn)輸機(jī)所無法接受的，最終這一設(shè)計(jì)方案被放棄，改為更普通的三角翼布局。

變后掠翼技術(shù)給飛機(jī)帶來不少優(yōu)勢(shì)，諸如縮短了起飛距離，增加了載荷能力，使得作戰(zhàn)飛機(jī)更適合進(jìn)行低空高速突防行動(dòng)，但同時(shí)也帶來了一些并不輕松的問題，比如造成了重量的增加和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。變后掠翼飛機(jī)在后掠角逐漸增至最大的過程中，飛機(jī)氣動(dòng)焦點(diǎn)的后移會(huì)給飛機(jī)帶來不良影響，這要求采取必要的補(bǔ)償措施。F－14A的翼套小翼以及B－1B機(jī)首的小翼，其目的就是使氣動(dòng)焦點(diǎn)前移，改善飛機(jī)的俯仰操縱性。在最大后掠角狀態(tài)下，飛機(jī)的后緣襟副翼通常無法使用，這就要求采用擾流板輔助橫向操縱，平尾也應(yīng)為差動(dòng)式全動(dòng)平尾，以幫助在大后掠角狀態(tài)下控制飛機(jī)。此外，大后掠角時(shí)?？拷砀糠值臋C(jī)翼后緣要收入機(jī)體，這又帶來了一個(gè)密封的問題。變后掠翼飛機(jī)必須采取有效措施(如F-14就是利用氣囊)，保證機(jī)體前后運(yùn)動(dòng)時(shí)機(jī)體的密封性，以便有效降低阻力。密封問題是解決了，飛機(jī)的結(jié)構(gòu)卻變得相當(dāng)復(fù)雜。

上世紀(jì)70年代，以色列空軍派出代表團(tuán)曾考察美國(guó)海軍的F－14和空軍的F－15，準(zhǔn)備從中選取一種作為以色列國(guó)防軍的標(biāo)準(zhǔn)裝備。據(jù)說，當(dāng)時(shí)以色列飛行員曾繞著兩種飛機(jī)觀看，仔細(xì)地計(jì)算它們各自襟翼、副翼、前緣縫翼以及減速板等操縱面的數(shù)目。他們發(fā)現(xiàn)F-14的操縱面比F-15多不少，據(jù)此認(rèn)為“雄貓”的保養(yǎng)維護(hù)成本和難度都要超過F-15“鷹”。最終以色列空軍沒有選擇“雄貓”，勝出的是“鷹”。值得揣摩的是，作為飛機(jī)上最大的活動(dòng)部件之一的變后掠翼，在帶給飛機(jī)性能優(yōu)勢(shì)的同時(shí)也把許多麻煩一并捎來。

盡管利弊總相隨，變后掠翼技術(shù)還是在一小段時(shí)間內(nèi)繁盛過，從上世紀(jì)60到70年代，大約有不少于6種飛機(jī)先后采用了這種設(shè)計(jì)，總產(chǎn)量達(dá)數(shù)千架。除了蘇聯(lián)的蘇-17、米格-23／27、蘇-24、圖-22M等，歐洲聯(lián)合成立的帕那維亞公司則開發(fā)了變后掠翼的“臺(tái)風(fēng)”，該機(jī)還發(fā)展出對(duì)地攻擊型和截?fù)粜汀ＴO(shè)計(jì)師們甚至把變后掠翼技術(shù)運(yùn)用到相當(dāng)巨大的轟炸機(jī)上。北美羅克韋爾公司開發(fā)了變后掠翼戰(zhàn)略轟炸機(jī)B-IA／B；而蘇聯(lián)圖波列夫設(shè)計(jì)局則開發(fā)了變后掠翼的圖-22M“逆火”轟炸機(jī)以及圖-160“海盜旗”戰(zhàn)略轟炸機(jī)。

20世紀(jì)80年代起，繁盛一時(shí)的變后掠翼技術(shù)似乎突然死亡了，此后開發(fā)的先進(jìn)主力作戰(zhàn)飛機(jī)再也沒有采用過這種設(shè)計(jì)——當(dāng)然人們也在研究讓機(jī)翼以其他的方式在飛行中進(jìn)行變化。變后掠翼技術(shù)隱退的原因并不簡(jiǎn)單，但最為主要的原因是，用于支撐和容納變后掠翼機(jī)構(gòu)的翼盒部件過于復(fù)雜和沉重。這不僅增加了維護(hù)難度，還降低了燃油效率。在服役初期，F(xiàn)-111就出了不少問題，作為機(jī)翼轉(zhuǎn)動(dòng)部分支點(diǎn)的翼盒部件經(jīng)常出現(xiàn)裂紋。

當(dāng)一架可變后掠翼飛機(jī)把機(jī)翼向前轉(zhuǎn)動(dòng)，以最小后掠角飛行以期提高燃油經(jīng)濟(jì)性時(shí)，它怎么也比不過采用平直固定翼的飛機(jī)。反之，當(dāng)它以最大后掠角高速飛行，也無法同固定后掠翼飛機(jī)相媲美，例如美國(guó)B-1B“槍騎兵”。該機(jī)難以達(dá)到設(shè)計(jì)最大航程，而不得不進(jìn)行更多的空中加油來增加奔襲距離。“槍騎兵”還難以實(shí)現(xiàn)令人滿意的高速突防飛行，這一現(xiàn)象頗像早些年的輪履混合車輛。本來人們希望綜合大后掠翼和平直翼兩種機(jī)翼的優(yōu)勢(shì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這種做法所付出的代價(jià)也不小。經(jīng)過長(zhǎng)期探索和實(shí)踐后，飛機(jī)設(shè)計(jì)師們?nèi)缃衿毡檎J(rèn)為，變后掠翼的代價(jià)和收效幾乎等同，因此在設(shè)計(jì)中也就逐步摒棄了這種方案。上世紀(jì)70年代，出現(xiàn)了放寬靜穩(wěn)定度飛控系統(tǒng)，這種嶄新的技術(shù)讓固定翼飛機(jī)的許多不足得到了彌補(bǔ)，也正是因?yàn)槿绱耍詮奶K聯(lián)圖-160戰(zhàn)略轟炸機(jī)之后，各國(guó)再也沒有制造過變后掠翼飛機(jī)。

責(zé)任編輯兆然