圓翼傳奇

程昭武　齊賢德　沈美珍

地球人制造的飛碟

人們對于圓形機(jī)翼的探索其實(shí)并不比人類動力飛行的歷史晚多少，早在1909年，英國就有人設(shè)計(jì)了一種類似飛碟的圓環(huán)形雙翼機(jī)。它采用雙層翼布局，上下兩層均由平面形狀為新月形的兩個(gè)半圓機(jī)翼對接而成。有2臺活塞式發(fā)動機(jī)安裝在上下翼間。飛機(jī)底部裝有同汽車一樣的四輪式起落架。關(guān)于該機(jī)設(shè)計(jì)者的名字已無從考證，只留下“安全”（Safety）這樣一個(gè)耐人尋味的機(jī)名。

自此之后的幾十年中，仍有不少航空工程師癡迷于圓形機(jī)翼的研究。1934年，美國邁阿密大學(xué)設(shè)計(jì)了“陽傘”號飛機(jī)。它的飛碟狀圓形機(jī)翼高高地架在機(jī)身上方，借以增加側(cè)向安定性。這種飛機(jī)有極好的失速特性，它可以保持很大的迎角飄落，就像有人抓住一把陽傘從高處跳下一樣。它的最大飛行速度（225千米/小時(shí)）和著陸速度（48千米/小時(shí)）之比可以達(dá)到4.687，而同時(shí)期活塞飛機(jī)的這一比值約為3。

第二次世界大戰(zhàn)將結(jié)束時(shí)，美國的錢斯·沃特公司研制的XF5U“飛行薄餅”堪稱圓翼飛機(jī)發(fā)展的新高度。美國海軍曾對這種飛機(jī)寄予厚望，但因噴氣式飛機(jī)的出現(xiàn)而停止研制。

1952年春，加拿大防務(wù)委員會批準(zhǔn)阿弗羅公司制造一種比CF-100更先進(jìn)有效的截?fù)魴C(jī)。公司委派弗羅斯特領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)特殊項(xiàng)目研究組開展研究。弗羅斯特曾經(jīng)在英國許多著名的飛機(jī)公司工作過，參加設(shè)計(jì)了“蚊”、“吸血鬼”、“海上雌狐”等著名的飛機(jī)。他在1946年曾參與盤訊在二戰(zhàn)設(shè)計(jì)過戰(zhàn)斗機(jī)和“飛碟”的德國設(shè)計(jì)師。不知這對弗羅斯特是否產(chǎn)生了影響。他后來領(lǐng)導(dǎo)研制了一系列“飛碟”狀的飛機(jī)，被稱為“阿弗羅飛車”。

1960年，美國空軍邀請新聞界代表團(tuán)參觀曾高度機(jī)密的VZ-9AV（“阿弗羅飛車”的第二架驗(yàn)證機(jī)）。它超凡脫俗的外表令參觀者驚愕不止。新奇的設(shè)計(jì)激發(fā)了人們的靈感。與此同時(shí)，關(guān)于美國羅斯維爾空軍基地“51區(qū)”內(nèi)收藏著“飛碟”和外星人尸體的故事不斷地傳播開來。然而，全世界成千上萬的UFO檔案中，至今沒有一件能證實(shí)來自外星。有關(guān)UFO的報(bào)告有的可能來自“冷戰(zhàn)”鼓吹者的借題發(fā)揮，也有的可能是目擊者的誤判、錯(cuò)覺，甚至是惡作劇。究竟是外星人乘“飛碟”造訪過地球，還是地球人自己發(fā)射了“飛碟”，被稱為20世紀(jì)最大的秘密。這一話題顯然還要繼續(xù)探討。但從飛機(jī)設(shè)計(jì)角度考慮，我們更應(yīng)關(guān)心的是地球人可以制造的飛碟。

蘇聯(lián)從上個(gè)世紀(jì)70年代初開始，在遠(yuǎn)東地區(qū)秘密研制“飛碟”。1994年4月29日，俄羅斯電視臺正式公布了正在研制的EKIP“飛碟式飛行器”。按照設(shè)想，它可以載重100多噸，利用氣墊式起落裝置使其可以脫離陸地機(jī)場，在一般地面或水面短距起降，此外它還可以借助地面效應(yīng)，以650千米/小時(shí)的速度飛行，也可以在8 000～10 000米的高度上飛行。

進(jìn)入新世紀(jì)，一位英國航空愛好者在自家車庫里造了一架“飛碟”模型。它的原理是讓發(fā)動機(jī)帶動風(fēng)扇，使氣流吹在碟狀飛行器的上表面，由于康達(dá)效應(yīng)（附壁效應(yīng)），氣流附著在“飛碟”上表面，產(chǎn)生升力。他的發(fā)明引起了美國軍方的重視，有關(guān)部門立即和他談判試圖合作開發(fā)。采用這一原理設(shè)計(jì)的“杰奧夫”飛碟無人驗(yàn)證機(jī)“沼澤星”-50，已在2008年6月首次試飛。

圓翼飛機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)

圓形機(jī)翼的展弦比較小，通常在1.27左右，因而具有良好的失速特性。前面提到的“陽傘”號飛機(jī)的失速迎角大于45°，最大升力系數(shù)高達(dá)1.8。又如前面提到的采用環(huán)形機(jī)翼布局的“安全”號，它不但機(jī)翼的展弦比小，而且其前半翼設(shè)計(jì)成較后半翼先失速，因而避免了全機(jī)失速進(jìn)入螺旋。它之所以被稱為“安全”，可能意義就在于此。筆者曾與西北工業(yè)大學(xué)合作進(jìn)行的圓翼、環(huán)翼吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)論也支持了以上結(jié)論。此外，圓形機(jī)翼適用于很大的飛行速度范圍。國外的實(shí)驗(yàn)表明，圓形機(jī)翼的最大升力系數(shù)（對應(yīng)于臨界迎角）與最小阻力系數(shù)（對應(yīng)于零升力迎角）的比值可以達(dá)到110。這說明它在高速飛行（小迎角）時(shí)阻力較小，在低速飛行（大迎角）時(shí)升力較大，因而圓形機(jī)翼飛機(jī)有較廣闊的飛行包線。

至于圓形機(jī)翼的缺點(diǎn)，主要是側(cè)向安定性不足。這是因?yàn)閳A形機(jī)翼很難設(shè)置上反角，只能像“陽傘”號飛機(jī)那樣依靠降低飛機(jī)的重心來獲得一定的側(cè)向安定性。當(dāng)圓形機(jī)翼飛機(jī)的一側(cè)機(jī)翼受到擾動向下傾斜時(shí)，飛機(jī)向該側(cè)側(cè)滑；同時(shí)，另一側(cè)的機(jī)翼在方向安定力矩作用下向前方轉(zhuǎn)動，其上表面升力增大，使飛機(jī)更加傾斜；全機(jī)升力傾斜后，在垂直方向的升力分力減少，飛機(jī)開始下沉，并在迎角安定性的作用下機(jī)頭下俯。這時(shí)，如果飛行員不知道應(yīng)首先改平飛機(jī)坡度，而是一味地向斜后方拉桿，企圖在改平坡度的同時(shí)拉起機(jī)頭，結(jié)果是傾斜升力的水平升力起向心力作用，促使飛機(jī)以小半徑盤旋下降，直至墜地。這種現(xiàn)象叫“急盤旋下降”，是航空早期造成圓形機(jī)翼飛機(jī)飛行事故的重要原因。但在當(dāng)時(shí)卻傳出了圓形機(jī)翼有“機(jī)翼自轉(zhuǎn)”的惡名。

圓翼飛機(jī)的未來

對于未來的戰(zhàn)斗機(jī)來說，由于矢量推力控制技術(shù)、電傳操縱與主動控制技術(shù)的應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的超機(jī)動動作，創(chuàng)造了必要的條件。然而，飛機(jī)的氣動布局仍保持自第一次世界大戰(zhàn)以來奠定的“十字架”式的形態(tài)，不同之處只是尾翼組有無或前、后置之區(qū)別。這樣的布局方式在做非常規(guī)機(jī)動時(shí)，都會出現(xiàn)機(jī)體相對于相對氣流軸的幾何外形和氣動力的不對稱——即出現(xiàn)側(cè)滑現(xiàn)象。

2013年8月27日，在莫斯科茹科夫斯基機(jī)場上空，俄羅斯的第五代戰(zhàn)斗機(jī)T-50由亞歷山大·波格丹駕駛，完成了所謂的“平螺旋”動作，成為第20屆莫斯科國際航展的最大亮點(diǎn)。不過T-50在做快速機(jī)頭指向過程中，飛機(jī)難免失去氣動平衡，為了保證各種條件下控制飛機(jī)姿態(tài)，飛機(jī)的“飛發(fā)一體化”控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)得極其復(fù)雜。目前，T-50的很多機(jī)動動作只限于表演階段，距離實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用還很遠(yuǎn)。

顯然，圓翼布局或許能為傳統(tǒng)布局戰(zhàn)斗機(jī)的困惑打開新的思路?，F(xiàn)代飛控技術(shù)的完善完全可以彌補(bǔ)圓形機(jī)翼安定性不足的缺點(diǎn)。同時(shí)相對于傳統(tǒng)布局，圓形機(jī)翼布局的優(yōu)勢在于相對其機(jī)體軸（縱、橫、立）都是對稱的，如果在其圓心設(shè)軸，使之可以圍繞立軸隨氣動力的變化而轉(zhuǎn)動，就可以完全消除側(cè)滑效應(yīng)，讓飛控軟件設(shè)計(jì)大為簡化。

在信息戰(zhàn)方面，圓形機(jī)翼更是得天獨(dú)厚。它可以在圓翼外緣布置雷達(dá)結(jié)構(gòu)天線；或者在圓翼中央設(shè)置大型雷達(dá)罩；也許索性讓整個(gè)圓翼都變成雷達(dá)天線。這一切優(yōu)勢都是常規(guī)布局飛機(jī)求之不得的。

在隱身性能方面，圓翼前緣可以有效地分散敵方雷達(dá)探測的電磁波，因而有極佳的隱身特性。美國的“暗星”無人機(jī)就是利用扁平半圓的前機(jī)身取得超乎尋常的隱身性能的。

責(zé)任編輯：王鑫邦endprint