從飛機布局觀時代變遷

秦嘉政

縱觀天上的飛機，雖然乍一看什么樣子的都有，但是仔細看，總能夠找到一些規(guī)律。從形狀上來說，除了少數(shù)飛機以外，大部分飛機的俯視輪廓可以用一個“士”字來描繪——機身在中間，一對大機翼在前，一對小“機翼”在后，尾部還有一個豎著的尾翼。那么，飛機為什么要這樣設計？飛機布局又是如何演變的呢？我們一起來看看吧！

飛機的控制

常見的飛機一般有五個比較大的翼面：機身中部的兩個主翼，尾部的兩個水平尾翼、一個垂直尾翼（有時是一對垂直尾翼）。主翼負責提供讓飛機飛上天的升力，水平尾翼負責維持俯仰方向上的穩(wěn)定性，而垂直尾翼負責維持飛機的航向穩(wěn)定性。

除了這些比較明顯的翼面外，飛機上還有許多可以活動的舵面。主翼上的兩個舵面叫作“副翼”，能夠讓飛機產生橫滾運動。水平尾翼上的升降舵可以讓飛機做俯仰運動，垂直尾翼上的方向舵則負責讓飛機產生橫向的偏航運動。正是這些舵面構成了飛機的基本控制系統(tǒng)。早期的飛機舵面是靠著一條條鋼索連接在駕駛員的操縱桿上，而現(xiàn)在的飛機舵面則是靠電腦和液壓系統(tǒng)來控制的。

由這些基本翼面構成的常規(guī)型布局是最穩(wěn)定、最成熟的飛機布局。這種布局是無數(shù)航空先驅在飛鳥的啟發(fā)下不斷探索出來的。它的尾翼在后可以有較大的控制力矩，方便調節(jié)飛機的姿態(tài);主翼升力中心離重心很近，不會給飛機帶來較大的俯仰力矩。在人類百年航空史中，這種布局一直存在，未來也將一直存在下去。

復翼飛機的時代

如果你對人類航空的早期歷史有所了解的話，你一定會發(fā)現(xiàn)那個時候的人們在使用那種經常出現(xiàn)在動畫片里的飛機：它們有一對雙層機翼，前面還有一個巨大的螺旋槳。這種飛機叫作復翼飛機，根據(jù)機翼的層數(shù)不同，還可以細分為雙翼機和三翼機。

那時的人為什么要將飛機做成這個樣子？這是因為在飛行時代伊始，飛機主要由布、木頭和鋼材制成，重量較重。不僅如此，飛機發(fā)動機的功率還很小，這就導致飛機飛行速度很慢。飛不快再加上體重大，一副機翼所能提供的升力明顯不夠。這時，人們就想到多加幾副機翼來提高升力，于是復翼飛機應運而生。當時甚至還有設計師為飛機設計了“千層派”或“腳手架”一般的多層復翼。

隨著機翼的增多，飛機越來越重，飛機結構增加的重量甚至抵消掉了機翼能夠提供的升力！后來，人們逐漸意識到機翼越多，飛機的阻力越大，飛行速度越受限。由此，最終經過篩選留下來的只有雙翼機和三翼機。

卡普羅尼Ca.60九翼水上飛機

雙翼機的布局現(xiàn)在一般用于那些特別需要飛得慢一些的飛機，比如為農田噴灑農藥的飛機。這種布局的飛機還有一個特別的好處，就是由于它們飛得很慢，可以在草坪和荒野里起飛、降落，并不需要專門的機場。這對于農業(yè)飛機來說十分重要。

中規(guī)中矩的單翼飛機

隨著人類在發(fā)動機研制上取得的進展，飛機飛得越來越快。飛機材料開始使用又輕又結實的鋁合金。鋁合金使很多以前用鋼和木頭做不到的結構變得可行起來。

此時，雙翼機的布局與新動力、新材料已經不再匹配。于是，單翼飛機逐漸流行起來。相比于雙翼機，單翼飛機的阻力更小，在使用相同的發(fā)動機時速度更快，機動性更強，效率也更高。而專用機場的大量修建，方便了飛機的起飛和降落。這些新變化都促使雙翼機慢慢走向衰落。

在第一次世界大戰(zhàn)之后，民用航空業(yè)迅速發(fā)展起來，軍用航空業(yè)也對戰(zhàn)斗機提出了更高的要求。作為航空史上最為璀璨的時代，許許多多的新概念紛紛出爐：比如早期的客機、運輸機、航空母艦等都出現(xiàn)在這一時期。單翼飛機在這一時期的航空大發(fā)展中，以其巨大的速度優(yōu)勢和流暢簡潔的外形展現(xiàn)了航空的“未來趨勢”，于是各個國家開始加速單翼飛機的研制。

德國容克F13客機為過渡時期的產品

航空黃金時代剛開始不久，第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)了。正是在戰(zhàn)爭中，單翼飛機的潛力被挖掘到了極限，涌現(xiàn)出一大批優(yōu)秀的戰(zhàn)斗機。隨著發(fā)動機的發(fā)展，單翼飛機一直延續(xù)至今。

作為伴隨航空史成長起來的機型，單翼飛機的發(fā)展歷程十分漫長，所以從某種程度上來說，單翼飛機的機翼設計會表現(xiàn)出鮮明的時代特征。

活塞式發(fā)動機時代的單翼飛機

活塞式發(fā)動機輸出的一般是旋轉動力，所以無法直接帶動飛機前進。于是人們給活塞飛機裝上了螺旋槳，讓螺旋槳為飛機提供推進力。由此，這種飛機又被稱為活塞式螺旋槳飛機。不過要注意的是：并不是所有的螺旋槳飛機都要使用活塞式發(fā)動機！

P-51戰(zhàn)斗機

早期的飛機因為發(fā)動機動力不足，飛行速度相對較慢，所以機翼的翼展必須足夠大才能提供足夠的升力。但限于當時的制造工藝，機翼一般會采取相對規(guī)則的形狀，所以很多早期活塞式螺旋槳飛機都采用了大展弦比（機翼長且窄）的平直機翼，機翼邊緣為直線，而機翼梢部一般采用平的翼尖或圓角翼尖收尾，機翼形態(tài)非常簡潔。

這種平直機翼在中低速時升力較大，能夠提升飛機的性能。而設計時相關的計算也相對更簡單。這一時期，飛機與飛機在形狀上的差別并不是很大，用一個詞來評價就是“中規(guī)中矩”。尤其在“二戰(zhàn)”中，飛機之間的差別小到戰(zhàn)斗機飛行員常常會分不清空中的戰(zhàn)斗機是敵是友，完全要靠飛機涂裝才能辨認出來！

平直機翼的缺點也很明顯：高速飛行時，氣流會發(fā)生分離，阻力增大，限制了飛機的最大速度;又因為機翼太厚，增加了迎風面積的同時也會增加飛行阻力。在飛機發(fā)動機有了突破性進展后，平直機翼的這些缺點不可避免地成了提升飛機性能時的一道坎。

噴氣式發(fā)動機時代的單翼飛機

在活塞式發(fā)動機時代，飛機需要螺旋槳來提供動力。當螺旋槳處于旋轉狀態(tài)時，它自己也會受其阻力的影響。飛機要飛得更快就需要以更大的推力克服更大的阻力，而更大的推力就意味著螺旋槳要轉得更快。這時問題來了，螺旋槳轉得越快，它自身產生的阻力也會越大。這可怎么辦？于是飛機設計師決定拋棄螺旋槳，開發(fā)一種不需要額外部件便能直接推動飛機飛行的發(fā)動機。這便有了可以將熱能直接轉化為推進能的噴氣式發(fā)動機。

噴氣式發(fā)動機

“二戰(zhàn)”末期，噴氣式發(fā)動機的廣泛應用為飛機的動力帶來了革命性突破。沒有了螺旋槳這個“累贅”，加上發(fā)動機給予的強勁動力，航空業(yè)迎來了第二次大發(fā)展。

噴氣式發(fā)動機雖然好，可是它消耗的燃油相對更多。為了降低燃油的消耗率，有些不需要太快速度的飛機采用了噴氣式發(fā)動機與螺旋槳的組合，創(chuàng)造出渦輪螺旋槳和渦輪軸發(fā)動機。現(xiàn)在的運輸機、直升機大多都采用了這兩類發(fā)動機。

原來的平直機翼與最新的噴氣動力搭r檔，飛機飛行速度進一步提升時，機翼上表面最大空氣流速超過了音速，這就出現(xiàn)了激波。激波會讓機翼的阻力隨著速度的提升而迅速增加，從而限制了飛機的最大飛行速度。為了解決這個問題，“后掠翼”出現(xiàn)了，并逐漸取代大部分平直翼，成為航空業(yè)的新寵。但平直翼并沒有被徹底“淘汰”，由于在低速飛行時擁有良好的升阻比（升力與阻力的比值），平直翼仍然應用于一些慢速的運輸機和教練機。

飛機跨音速飛行時會產生激波（圖為激波引起的音爆云）

后掠翼的創(chuàng)舉

一般我們將后掠角超過25度的機翼叫作“后掠翼”，后掠翼的斜角使得氣流的速度在垂直于機翼的方向上變小。后掠角越大，當氣流出現(xiàn)激波時，飛機達到的速度就越快。不過，后掠翼相比平直翼而言，它的設計和制造難度更大，造價也更高。

機翼后掠角

那是不是后掠角越大越好呢？當然不是，當機翼長度一定時，后掠角越大，翼展就越小，相同速度下（尤其是低速時），產生的升力就會減小。所以，飛機在設計時就要經歷一個取舍的過程，提高某一項性能，往往就要犧牲其他方面的性能。而選擇哪個放棄哪個，就要看飛機的任務需求是什么了，所以一架適合任務需求的飛機才是真正的好飛機。

后掠翼出現(xiàn)后，很快便得到民航客機的青睞。這種翼型能夠幫助大型遠程飛機提升航速。阻力的減小還可以幫助飛機節(jié)省更多的燃油，進一步推動了航空客運業(yè)的發(fā)展。

與民航客機相比，軍用航空對速度和性能的要求更高，所以不同國家在戰(zhàn)斗機的設計上展現(xiàn)出各自的特色。在噴氣式發(fā)動機剛剛出現(xiàn)時，各國也短暫出現(xiàn)過平直翼的噴氣式戰(zhàn)斗機如F-80、米格-9等。不過，在第一代之后，這種布局很快又消失了，取而代之的便是后掠翼戰(zhàn)斗機，如F-86、米格-15等。第二代戰(zhàn)斗機曾經短暫走上了“高空高速”的道路，在此期間工程師們?yōu)榱嗽黾訖C翼面積發(fā)明了三角翼。為了減小阻力，機翼變得越來越薄，翼展也越來越小。

再往后，各國開始注重大迎角飛行性能和跨音速機動I生的提升，飛機的布局也隨之發(fā)生改變。這時出現(xiàn)了鴨式布局、邊條翼布局和升力體布局等。隨著工業(yè)的進步，飛機的曲面也越來越復雜和流暢，像第一代和第二代戰(zhàn)斗機那種直筒式機身插上兩個機翼的布局逐漸被翼身融合的布局所取代。

翼身融合的布局進一步減小了飛機的阻力，提升了飛行的速度。

第三代后掠翼超音速戰(zhàn)斗機

特殊布局

在所有的戰(zhàn)斗機布局中，有三種比較有趣的特殊布局。

第一種是變后掠翼布局。上文在介紹后掠翼時，大家已經知道，飛機低速飛行時小后掠角表現(xiàn)優(yōu)異，而高速飛行時大后掠角性能更佳。這時你會不會想設計一種能在低速時變成小后掠角，高速時變成大后掠角的機翼呢？飛機設計師們就按照這種設想，設計出了“變后掠翼飛機”。

F-14戰(zhàn)斗機

變后掠翼飛機

變后掠翼飛機的機翼可以隨著速度的變化而改變后掠角的角度，由此得到最佳性能。變后掠翼飛機曾經短暫流行過一段時間，不過，這種飛機布局需要一套完整的機翼變動驅動裝置，這會給飛機增加一些額外的重量。不僅如此，變后掠翼布局還需要非常結實的機身結構，這除了會給飛機帶來重量的問題外，還會使飛機造價大幅提升。這種飛機的巔峰之作就是美國海軍的F-14戰(zhàn)斗機，它也是無數(shù)航空迷公認的“最有美感的戰(zhàn)斗機”。

陣風”戰(zhàn)斗機

第二種是鴨式布局。這種布局將控制翼面放在了主翼之前，飛行姿態(tài)很像鴨子，因而人們把前置的控制翼面稱為“鴨翼”。鴨翼在前會產生渦流給后面的翼面增加升力，這個變化為飛機的發(fā)展又帶來一次性能上的飛躍。然而，這種布局也使飛機變得非常不穩(wěn)定而且難以控制。簡單來說，就是常規(guī)布局的飛機在一般情況下可以保持穩(wěn)定的飛行，如果被大風吹偏，飛機還可以自行恢復飛行方向。而鴨翼飛機在飛行過程中，飛行員要時刻注意飛機的姿態(tài)，被風吹偏后要及時修正。鴨翼飛機的大規(guī)模使用是在機載電腦發(fā)展之后，雖然計算機能夠負責調整控制機身的抖動，但這種飛行控制程序也成為鴨式布局設計上的一個難點。

“臺風”戰(zhàn)斗機

B-2轟炸機

最后一種是極具科幻感的飛翼布局。飛翼布局只有一個主翼面，沒有水平尾翼與垂直尾翼。這種布局擁有非常好的隱身性，普通雷達很難發(fā)現(xiàn)它，而且相對其他布局，它的載彈量非常大，可以利用的空間也很大，所以可以裝載更多的燃油，能夠進行遠程飛行。

B-2轟炸機

當然這種布局也有缺點：由于缺少大型舵面，飛翼飛機很笨重，操縱性能差，也不夠敏捷。同時，由于沒有垂直尾翼，它在水平方向上也會產生類似鴨翼飛機的那種不穩(wěn)定性，造成飛行控制上的難題。目前服役的飛翼布局飛機只有美國B-2轟炸機。

1913年至今，航空業(yè)已走過了一百多年的歷程，而多種多樣的飛機布局就標記著這段歷程中的一個個重要節(jié)點。每一種飛機布局無論成功還是失敗，都是人類為了征服藍天邁出的一大步?！敖酱胁湃顺觯黝I風騷數(shù)百年”，相信未來隨著新技術、新材料的發(fā)展，還會有更多飛機布局誕生，引領航空業(yè)更上一層樓。