從和尚抬水看氣動(dòng)布局

柯基米德

人類探索在飛行奧秘之初，最好的導(dǎo)師便是鳥類，自萊特兄弟第一架飛機(jī)在1903年成功試飛至今的100多年里，我們不斷追逐著鳥類的影子?？罩芯逕o霸A380的成功為人們帶來無限感慨的同時(shí)，依舊保持著“大鳥”的體態(tài)，不變的大展弦比，機(jī)翼和尾翼的構(gòu)型堪稱正常式布局的經(jīng)典示范。然而人類的智慧可不僅僅局限于單純的模仿，在科學(xué)研究的道路上，我們樂此不疲地探索著從特殊中凝練出一般規(guī)律，再從一般規(guī)律演化出新生事物的方法。隨著技術(shù)指標(biāo)的不斷突破和實(shí)踐創(chuàng)新，人類卓然出師，于是我們見到了不同凡響的鴨式、三翼面式、無尾式布局甚至幽靈般奇妙的飛機(jī)構(gòu)型，似乎人類已向鳥類導(dǎo)師揮手作別。而這些看似高深莫測、眼花繚亂的氣動(dòng)布局都是以最基本的力學(xué)原理為根本，在此之上千變?nèi)f化，萬變不離其宗。

一個(gè)和尚挑水吃

正常式布局飛機(jī)的擁有機(jī)翼與尾翼，其設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)最為豐富，時(shí)至今日依舊是設(shè)計(jì)者們重點(diǎn)采納的構(gòu)型。機(jī)翼是飛機(jī)升力的主要貢獻(xiàn)者，也被稱作主翼；尾翼，顧名思義在主翼之后、飛機(jī)尾部承擔(dān)力矩配平任務(wù)，屬于配平翼面。此外還有位于主翼之前的配平翼面，被稱作前翼。常見的民用飛機(jī)大都不約而同地采用正常式布局，追求卓越性能的戰(zhàn)斗機(jī)也對此情有獨(dú)鐘。眾多的第三代戰(zhàn)斗機(jī)，例如F-16、F-18、米格-29和蘇-27，第四代戰(zhàn)機(jī)中的F-22A都采用了正常式布局。

傳統(tǒng)正常式布局飛機(jī)機(jī)翼機(jī)身組合體焦點(diǎn)（即升力作用點(diǎn)）位于重心之后，輔以尾翼產(chǎn)生負(fù)升力來實(shí)現(xiàn)全機(jī)的力矩平衡，其核心的力矩配平原理如同中國的桿秤，尾翼就像秤砣，比起主動(dòng)挑起大梁的機(jī)翼，它在升力方面并無貢獻(xiàn)甚至增加了機(jī)翼的負(fù)擔(dān)，可以說是犧牲了總體升力的被動(dòng)技能，形成了一個(gè)和尚挑水吃的局面。

這種沿軸線方向，全機(jī)焦點(diǎn)位于重心后方的飛機(jī)具備縱向定速靜穩(wěn)定性。所謂靜穩(wěn)定性，即飛行器收到瞬時(shí)干擾后是否具有恢復(fù)到原來平衡狀態(tài)的趨勢，飛行員不需要進(jìn)行任何操作，如同不倒翁一般。在此處指飛機(jī)維持縱向平衡姿態(tài)的能力。假設(shè)飛機(jī)在空中維持穩(wěn)定的飛行姿態(tài)，此時(shí)俯仰力矩為0處于平衡狀態(tài)。受到突風(fēng)等干擾后，迎角增加，在未失速的前提下全機(jī)氣動(dòng)力增加，全機(jī)焦點(diǎn)處產(chǎn)生的氣動(dòng)力增量繞重心產(chǎn)生了一個(gè)低頭力矩，使得飛機(jī)的迎角恢復(fù)到原先的狀態(tài)。

在飛機(jī)發(fā)展的幼年時(shí)期，其神經(jīng)系統(tǒng)——自動(dòng)控制電傳系統(tǒng)尚不發(fā)達(dá)時(shí)，靜穩(wěn)定性的存在是很重要的。由于飛機(jī)的神經(jīng)對外界擾動(dòng)識(shí)別能力弱、抵抗能力差，維持飛機(jī)平穩(wěn)飛行的重?fù)?dān)就落在了飛行員身上。而飛機(jī)自身的構(gòu)型所帶來的靜穩(wěn)定性無意大大減輕了飛行員的負(fù)擔(dān)。即使在飛機(jī)的神經(jīng)系統(tǒng)日漸發(fā)達(dá)的今天，對于追求安定舒適體驗(yàn)感的大飛機(jī)來說，靜穩(wěn)定性也是被需要的。

兩個(gè)和尚抬水吃

一個(gè)和尚挑著一桶水和一個(gè)秤砣，且不論是否負(fù)擔(dān)過重，秤砣的存在本身就令和尚的工作效率打折了?；氐斤w機(jī)上來看，負(fù)責(zé)產(chǎn)生升力的機(jī)翼需要足夠大的翼面積才能挑起全機(jī)的重量和維持力矩平衡的負(fù)升力，而增大翼面積的行為本身就使得飛機(jī)的重量再次增加。在飛機(jī)設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)師們需要在利弊之間協(xié)調(diào)博弈，反復(fù)迭代才能得到理想的結(jié)果，可即使如此也不能改變負(fù)升力存在的事實(shí)。那么我們能不能改變一下力矩配平的方式，打破“一個(gè)和尚挑水吃”的局面？答案是可以的，對于正常式布局飛機(jī)而言，如果翼身組合體的焦點(diǎn)在重心前方，平尾就可以在重心后方產(chǎn)生正升力擔(dān)任配平工作，只要參數(shù)選擇合理，依舊可以使全機(jī)焦點(diǎn)在重心之后保持靜穩(wěn)定性，形成“兩個(gè)和尚抬水喝”的局面。這樣一來，原本是升力負(fù)擔(dān)的配平翼面轉(zhuǎn)而成為了全機(jī)升力的輔力，原本墜在后方的秤砣脫胎換骨成為了主翼的戰(zhàn)友。

鴨式布局采用的也是這種力矩配平方式，不同的是主翼和配平翼面的前后位置調(diào)換了。鴨式布局的優(yōu)點(diǎn)不止于它的力矩配平方式，事實(shí)上鴨式布局是飛機(jī)最早采用的構(gòu)型。萊特兄弟設(shè)計(jì)的人類第一架飛機(jī)就是鴨式布局，是串列鴨翼、串列主翼和雙立尾結(jié)構(gòu)的飛機(jī)。可是早期成功的鴨式布局設(shè)計(jì)卻并不多。因?yàn)橹饕碇皫в续喴恚S即帶來一個(gè)明顯的不利因素，即鴨翼流場構(gòu)成對主翼流場的下洗，造成主翼升力損失，這個(gè)損失甚至超過鴨翼的配平升力。隨著空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)科的發(fā)展，人們逐漸發(fā)現(xiàn)如果鴨翼距離主翼較近，那么鴨翼流場與主翼流場會(huì)產(chǎn)生干擾耦合，這個(gè)安排方式被稱作近距耦合。在中、大迎角飛行時(shí)，如果采用近距耦合形式，前翼和機(jī)翼前緣就會(huì)同時(shí)產(chǎn)生脫體渦，兩者相互干擾，此時(shí)氣流不分離，渦系更穩(wěn)定，從而產(chǎn)生很高的渦升力，最終使得鴨式布局的效率反虧為贏。

此外，鴨式布局的設(shè)計(jì)還有利于飛機(jī)的重心安排?？紤]到現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)因?yàn)橥浦乇鹊奶岣撸l(fā)動(dòng)機(jī)重量隨之加大，飛機(jī)的整體重心也因此后移。如果此時(shí)使用的是平尾，那么最大配平力臂就會(huì)比以往更小，雖然以小迎角飛行時(shí)平尾的負(fù)荷尚不算大，但是當(dāng)飛機(jī)以大迎角飛行，并采取增升措施時(shí)（放下襟翼）形勢就惡化了。因?yàn)樵錾龝r(shí)會(huì)帶來很大的附加低頭力矩。為配平這些附加力矩，平尾后緣必須上偏很大的角度，這將使增升效果顯著降抵；如果采取加大平尾的措施，會(huì)對全機(jī)重量和重心安排都帶來不利影響。而鴨式布局飛機(jī)由于鴨翼在機(jī)翼之前，并且鴨式飛機(jī)的俯仰操縱不一定依靠鴨翼面，還可利用機(jī)翼后緣副翼作輔助操縱，因此鴨翼的面積還可以較平尾更小。鴨翼的大迎角優(yōu)越特性迎來了多個(gè)經(jīng)典飛機(jī)的誕生，典型代表為中國的殲10、殲20，瑞典的JAS-39，法國的“陣風(fēng)”和歐洲四國的“臺(tái)風(fēng)”。鴨翼——三角翼這對最佳組合也通過揚(yáng)長避短贏得了諸如如結(jié)構(gòu)重量輕，超聲速飛行時(shí)氣動(dòng)阻力小等榮譽(yù)。

鴨式布局自然也不是百利而無一害，它對飛行性能的提升也只是相對正常式布局而言的，其自身也存在技術(shù)難點(diǎn)和缺陷，首當(dāng)其沖的就是鴨翼位置的安排以及大迎角飛行時(shí)產(chǎn)生抬頭力矩的問題。鴨翼作為配平翼面，處在省力杠桿的作用端，從常識(shí)出發(fā)自然是鴨翼距離重心越遠(yuǎn)越好，這恰恰與近距耦合概念的利用背道而馳：近距耦合效果好，但是力矩小，配平阻力大；遠(yuǎn)距耦合力矩大，配平阻力小，但是耦合效果差。由于鴨翼在重心前產(chǎn)生正升力，在大迎角飛行時(shí)其升力增加會(huì)產(chǎn)生抬頭力矩。針對此問題，可以采取在后機(jī)身加邊條，如X-29；使用發(fā)動(dòng)機(jī)矢量推進(jìn)技術(shù)，如米格1.42，或者限制放寬靜穩(wěn)定度等措施。

說到放寬靜穩(wěn)定度，是指對飛機(jī)靜穩(wěn)定余度的限制放寬（靜穩(wěn)定余度越大不倒翁可謂越穩(wěn)），全機(jī)焦點(diǎn)可以靠近質(zhì)心、與質(zhì)心重合甚至移至質(zhì)心的前面，此時(shí)的靜穩(wěn)定余度變得很小或者靜不穩(wěn)定?？嘈淖非蟮撵o穩(wěn)定度要被放棄，這并非本末倒置，更像是卸下重甲換上防彈衣，與時(shí)俱進(jìn)。比起信天翁，我們更需要戰(zhàn)斗機(jī)像游隼一樣敏捷地捕獲獵物。

當(dāng)飛行員拉桿要求飛機(jī)快速動(dòng)作時(shí)，靜穩(wěn)定性的強(qiáng)大作用使得飛機(jī)的反映穩(wěn)重而呆滯，甚至在飛機(jī)進(jìn)入超聲速飛行后由于焦點(diǎn)后移導(dǎo)致動(dòng)態(tài)特性更加糟糕，這與我們需求的機(jī)動(dòng)性和敏捷性背道而馳，是可忍孰不可忍。為了讓飛機(jī)的飛行姿態(tài)能夠迅速改變，人們逐漸了放棄了對靜穩(wěn)定余度的追求，將維持平穩(wěn)飛行的任務(wù)交給飛機(jī)日漸發(fā)達(dá)的神經(jīng)系統(tǒng)完成，甚至隨著飛機(jī)大腦不斷地進(jìn)化可以放棄靜穩(wěn)定性，以實(shí)現(xiàn)對機(jī)動(dòng)性和敏捷性的不斷追求。放寬靜穩(wěn)定度技術(shù)對全機(jī)升力也是有貢獻(xiàn)的，力矩配平后在相同迎角下，靜不穩(wěn)定飛機(jī)升力要大于靜穩(wěn)定飛機(jī)的。飛行視頻中那些通過不斷擺弄舵面來維持平衡姿態(tài)的小動(dòng)作，是飛機(jī)在為自身卓越的頭腦而洋洋自得。

值得一提的是，不論飛機(jī)是否具備靜穩(wěn)定性，前翼的升力方向總是和機(jī)動(dòng)方向一致，尾翼總是相反，因而鴨式布局在機(jī)動(dòng)性方面也是發(fā)揮著積極作用的。

三個(gè)和尚有水吃

既然正常式布局和鴨式布局各有利弊，那么把前翼和尾翼一并裝上會(huì)怎樣？伴著這樣的想法，三翼面布局誕生了。這種布局形式綜合前兩者的優(yōu)點(diǎn)，相互彌補(bǔ)缺點(diǎn)，在配平方面相互配合，可以爭取更大的重心移動(dòng)范圍，并有望得到更好的氣動(dòng)特性，特別是操縱和配平特性。F-15增加了前翼，其機(jī)動(dòng)性能改善明顯。俄羅斯為蘇-27加小前翼改為艦載型，又為它加大前翼改成蘇-35（僅就氣動(dòng)布局而言），都是得益于此。增加前翼可以使全機(jī)氣動(dòng)載荷分布更為合理，減輕機(jī)翼上的氣動(dòng)載荷，有效的減輕機(jī)翼的結(jié)構(gòu)重量；前翼和機(jī)翼的襟副翼，水平尾翼一起構(gòu)成飛機(jī)的操縱控制面，保證飛機(jī)大迎角的情況下有足夠的恢復(fù)力矩，允許有更大的重心移動(dòng)的范圍；前翼的脫體渦提供非線性升力，還能提高全機(jī)最大升力。

而三個(gè)翼面自然也迎來了僧多粥少的局面。當(dāng)飛機(jī)設(shè)計(jì)師在為減輕每一克重量而奮斗時(shí)，三個(gè)和尚的體重就已令人頭痛不已了，再加上翼面增多導(dǎo)致的零升阻力增大，發(fā)動(dòng)機(jī)也默默流下了汗水。

戰(zhàn)神金剛百獸王

——無尾布局

早在戰(zhàn)神金剛的合體風(fēng)潮甚囂塵上之前，無尾布局的飛機(jī)就已經(jīng)誕生了，它的雛形是1943年德國的無尾火箭截?fù)魴C(jī)。無尾布局飛機(jī)一般采用大后掠角的三角形機(jī)翼，它沒有前翼，尾翼也一并神隱，事實(shí)上則是用機(jī)翼后緣的襟副翼作為縱向配平的操作面，可謂主翼與尾翼的合體。這樣布局的飛機(jī)擁有結(jié)構(gòu)重量輕，隱身特性好，氣動(dòng)阻力較小，超聲飛行時(shí)速阻力更小等良多優(yōu)點(diǎn)。具體代表是法國的”幻影”III和SR-71。

但是將配平翼面和舵面的作用相耦合也是有缺陷的。無尾飛機(jī)配平時(shí)，襟副翼的產(chǎn)生負(fù)升力，引起升力損失，同時(shí)力臂較短，配平效率低。當(dāng)飛機(jī)起飛時(shí)，需要將襟副翼向下偏，通過增加翼型彎度來提高升力，可是這樣做又會(huì)引起較大的低頭力矩，為了配平低頭力矩，襟副翼又需上偏，造成操縱困難的同時(shí)配平阻力也一并增加。無尾式布局的飛機(jī)通常采用扭轉(zhuǎn)機(jī)翼的辦法，保證飛機(jī)的零升力矩系數(shù)大于零，這樣可以有效的降低飛機(jī)飛行時(shí)的配平阻力。而即使放寬了靜穩(wěn)定度，操縱和配平問題得到解決，其大迎角氣動(dòng)特性依舊不好。為此，一般第三代的高機(jī)動(dòng)戰(zhàn)斗機(jī)都會(huì)回避此構(gòu)型。

除此之外，還有不少概念性的氣動(dòng)布局產(chǎn)生，譬如翼身融合體——機(jī)翼與機(jī)身高度融合，氣動(dòng)效率較高，但因其無垂尾，對操穩(wěn)控制系統(tǒng)的要求也較高，代表為”幻影”2000和B2采用飛翼形式，以及現(xiàn)在發(fā)展的無垂尾試驗(yàn)機(jī)X36；支撐機(jī)翼——在常規(guī)布局飛機(jī)機(jī)翼上增加一個(gè)支撐，可以減小機(jī)翼彎矩，增大展弦比和升阻比，減輕重量；聯(lián)接機(jī)翼——采用一副后掠翼一副前掠翼并在翼梢處相連，可增大展弦比和升阻比以及最大升力，減輕重量。

綜上，飛機(jī)的氣動(dòng)布局形式多姿多彩卻各有利弊，設(shè)計(jì)者往往是在歷經(jīng)對各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的反復(fù)權(quán)衡之后才會(huì)確定最終構(gòu)型，正所謂如人飲水，冷暖自知。

責(zé)任編輯：武瑾媛