非常规布局的斜掠翼飞行器

斜掠翼飞行器概念和原理

斜掠翼又称斜置翼、转掠翼，采用这种布局的飞机左右机翼连接成为一个整体，机翼中心通过单点枢轴与机身相连，在飞行过程中机翼可绕枢轴转动使一侧机翼后掠而另一侧机翼前掠，并且斜掠角可随飞机速度的提高而增大，从而使飞机在不同飞行阶段、不同飞行状态下始终保持最佳的气动特性。

斜掠翼在原理上与可变后掠翼一样，即通过大斜掠角获得跨、超声速飞行时的高升阻比，中小斜掠角获得较好的巡航性能或机动性，而斜掠角为零时（相当于平直机翼）则具有良好的起飞、着陆及低速飞行性能。但与可变后掠翼不同的是，斜掠翼飞机当机翼处于大斜掠角位置时是一种非对称布局，此时整个飞机横截面积沿机身轴的分布较后掠翼飞机更均匀，近似于流线体，在相同翼展、斜掠角和容积的条件下，斜掠翼升力沿着机翼分布的长度可达到普通机翼的两倍以上，更易于满足“面积律”要求，因而在降低波阻方面比后掠翼更为有利（其升致波阻和形阻可分别减少至普通后掠翼的1/4和1/16）。此外，斜掠翼布局还能避免像普通后掠翼那样在机翼中心处出现无后掠的情况，在至关重要的机翼中心处仍保持斜掠效果。由于上述原因，斜掠翼布局比后掠翼更适于高速飞行。

研究结果表明，斜掠翼飞机在跨声速范围内（马赫数Ma=1附近）的最大升阻比要比后掠翼高出15%—20%，当斜掠角为68°、飞行速度为Ma1.4时飞机将达到最优的巡航飞行状态。除跨声速和低超声速飞行性能外，斜掠翼飞机以小斜掠角低速飞行时的气动效率也很高，具有良好的亚声速巡逻飞行能力。因此从理论上讲，采用斜掠翼布局可以使飞机各个飞行阶段起飞/降落、高空/低空、超声速/亚声速的性能均发挥至理想状态。

除上述独特的气动性能外，斜掠翼飞机与常规布局飞机相比还具有以下优点：①斜掠翼飞机的左右两侧机翼连接成一个整体，有利于简化机翼与机身的连接机构。②与可变后掠翼布局相比，斜掠翼飞机的结构设计相对简单。斜掠翼的单点枢轴承受的主要是拉伸载荷，其枢轴力矩、弯曲载荷以至机身载荷均有所减少。而可变后掠翼的枢轴要承受来自机翼的强大弯曲/扭转载荷并将其传递给整个飞机，导致枢轴机构非常笨重复杂。③斜掠翼飞机在超声速飞行时产生的音爆比常规布局的超声速飞机小。④采用斜掠翼布局时对减小雷达散射面积，提高军用飞机的隐身性能也非常有利，尤其是采用纯飞翼构型时更是如此。

潜在军事用途

斜掠翼飞机所具备的优异特性使其在军用和民用方面都具有广阔的应用前景，从国外（主要是美国）对其潜在用途的研究来看，斜掠翼飞机主要适合承担以下任务：

远程轰炸

采用斜掠翼布局的远程轰炸机能够在目标外围进行长时间的亚声速巡逻飞行，一旦接到命令将迅速做出反应，以超声速突破敌方防线并对预定目标发动攻击。这无疑将大幅缩短战时的反应时间，减少达到作战目的所需飞机数量，同时也符合美国军方所制订的无需利用前沿部署基地即可深入敌方领土执行任务的未来作战宗旨，因此DARPA希望斜掠翼布局能够成为美国空军下一代远程轰炸机的候选布局方案。

情报，监视，侦察（ISR）

情报/监视/侦察平台采用斜掠翼布局时的优越性与用作远程打击平台时相似，飞机能以超声速突破对方防空系统，并且在目标区域上空作长时间的亚声速巡逻飞行以执行任务，若发现危险可迅即加速脱离。

海上巡逻反潜

斜掠翼飞机在担负海上巡逻反潜任务时比常规布局飞机具有很大优势。这是因为斜掠翼飞机在小斜掠角状态低速飞行时航程远、留空时间长，能够对广阔海域实施大面积巡逻搜索，在大斜掠角状态下所具备的高速飞行性能使其在接到任务后能够迅速飞抵预定海域并尽快与目标保持接触，一旦丢失目标后也能迅速再次搜索并恢复接触。美国NASA的研究表明，与现役的P—3C反潜巡逻机相比，同样执行12小时的反潜任务，以Ma0.95—Ma1.25速度飞行的斜掠翼飞机可以在目标海域上空多停留25%—45%的时间。

航母舰载机

在执行舰队防空任务时，要求舰载战斗机能在舰队附近空域长时间巡逻飞行，一旦发现目标能迅即高速飞往预定拦截地点，力争在目标投放武器之前将其击落，斜掠翼飞机无疑很适合担负这类任务。美国航空航天局和罗克韦尔公司在上世纪80年代都曾做过这方面的研究，并先后提出过两种斜掠翼布局舰载防空战斗机设计方案，前者是在F—8战斗机基础上改进而成（F—8 OWRA），后者则是一种全新设计的双座双发超声速飞机。这两种飞机的设计最大飞行速度均可达Ma1.8，并且都具备携带10枚AIM—120A中距空空导弹或6枚AIM—54C远距空空导弹的能力。

此外，斜掠翼飞机所具备的良好低速起降性能也使其很适合在航空母舰上起降，当其机翼处于大斜掠角时还便于在飞行甲板或机库中停放，而无需像常规布局飞机那样将机翼折叠就可大大减少单机所占空间，因此斜掠翼飞机对海军舰载航空兵很有吸引力。

民航运输

除军用外，民用飞机采用斜掠翼布局也具有以下独特的优势：①斜掠翼飞机飞行时阻力小，因而油耗比常规布局飞机低；⑦速度快、航程远、超声速飞行时音爆小等特点使斜掠翼飞机很适合作为跨洲际飞行的超声速旅客机使用；③斜掠翼飞机起飞/着陆时机翼处于小斜掠角、大展弦比状态，起降速度比常规布局飞机低，起飞时所需发动机提供的推力也较小，因而有利于减小起飞/着陆时机场附近的噪音；④斜掠翼飞机良好的起降性能使其起飞/着陆时所需跑道长度比常规布局飞机短，在以喷气发动机为动力时接近普通涡轮螺桨飞机的水平，因此在短跑道机场也能正常使用，⑤斜掠翼飞机在地面停放时可将机翼置于大斜掠角状态从而减少在停机坪所占面积；⑥美国波音公司和洛克希德公司在上世纪70年代都曾展开民用斜掠翼布局飞机的研究，并分别提出过190座超声速客机和200座亚声速客机设计方案。

除上述用途外，根据美国NASA和航空航天工业界的研究，斜掠翼布局还可应用于先进战术战斗机、洲际弹道导弹空中机动发射平台、巡航导弹、滑翔炸弹、航天发射工具以及可回收的航天飞机固体助推火箭等场合。

从目前的研究情况来看，斜掠翼飞机的应用前景（尤其是军用方面）相当广阔，采用这种布局将会大大扩展未来军用飞机概念设计的空间。斜掠翼飞机所具备的高速度、远航程和长航时性能将使战时只需较少数量的作战飞机和支援飞机即可达到作战目的，此外对于缩短战时反应时间、增加任务弹性、提高作战效率、方便灵活地选择部署基地、提高航空武器装备的有效性和经济可承受性等均具有重要意义。可以预见，采用斜掠翼布局的军用飞机一旦投入使用将会给未来战场带来革命性的影响。

国外研究现状

国外对斜掠翼布局的研究已有很长的历史，最早可追溯至上世纪40年代，先后从事过斜掠翼技术研究的国家有美国、英国、德国和荷兰等国。早在二战末期，纳粹德国就对斜掠翼技术进行了研究，并在此基础上提出了多种作战飞机设计方案，如布洛姆·福斯公司（Blohm&Voss）的BV P.202和梅塞施米特公司（Messerschmitt）的Me P.1101，但这些飞机最终均只停留在纸面阶段。战后一批科学家继续对斜掠翼布局进行深入探讨，其中以美国NASA艾姆斯研究中心的空气动力学家Robert T.Jones最为有名，他于1958年成功论证了椭圆形载荷分布的斜掠翼布局在跨声速和低超声速范围内可最大限度地减少激波阻力和诱导阻力。在上世纪50～90年代，NASA和包括波音公司、洛克希德公司等在内的美国工业界进一步对斜掠翼技术及其在军、民用飞机上应用的可行性进行了研究，还制造了包括“斜掠翼研究飞机”（Oblique Wing Research Aircraft.OWRA）和“艾姆斯·代顿—1”（Ames—Dryden，AD—1）飞机在内的几种技术验证机进行测试。尽管这些研究取得了一定成果，但斜掠翼飞机所存在的气动控制、结构设计和气动弹性变形等问题长期得不到解决，因而限制了斜掠翼飞机投入实用。

2005年美国国防部再次对斜掠翼布局飞行器产生兴趣，并着手恢复研制这种构型的飞行器。2006年DARPA开始实施“斜掠飞翼”（Oblique FlyingWing，OFW）研发项目，希望通过该项目对研制一种实用的斜掠翼飞行器所涉及的各种关键技术进行研究，并制造一架名为“X飞机”（X—plane）的技术验证机对研发超声速OFW飞行器并利用其担负未来军事任务的可行性进行验证。按照DARPA的设想，这种新型OFW飞行器将采用纯飞翼构型，没有机身和其它辅助操纵面（如尾翼、鸭翼），在飞行过程中机翼可绕枢轴转动从而使一侧机翼前掠而另一侧机翼后掠，并且斜掠角将随速度的提高而增大，使全机在各种飞行状态下均能保持很高的升阻比。DARPA要求这种平台具有良好的超声速和亚声速巡航性能，能同时完成情报/监视/侦察（ISR）和轰炸两种任务以确保战时执行任务的灵活性，其具体技术指标是：携带1800千克有效载荷在18000米高空巡逻飞行15小时，完成4600千米飞行半径范围内的ISR任务，或者在相同的飞行半径内，携带6800千克有效载荷以Ma2的冲刺速度（用于战区突防和脱离）和Ma1.6的巡航速度执行轰炸任务。根据DARPA的计划，OFW项目将分两个阶段完成：第一阶段DARPA将选择一家或多家承包商并为其提供资金以开展OFW原理研究、提高相关技术成熟度从而降低OFW概念设计中的关键技术风险、“X飞机”验证机的初始设计等工作；第二阶段将完成“X飞机”的详细设计，随后建造一架类似“X”系列研究机（如X—29/31）那样的验证机并争取在2010—2011年左右完成首飞。

OFW项目提出后，诺斯罗普·格鲁曼、波音和洛克希德·马丁三家公司参加了该项目竞标。2006年3月，诺·格公司综合系统分部战胜竞争对手，赢得该项目的第一阶段合同（价值1030万美元，为期20个月）。根据该合同，诺·格公司完成了“X飞机”无人验证机的初始设计工作，其主要设计特点如下：

①外形尺寸按五分之一比例缩小，最大翼展12.2米（斜掠角为0°），全重726千克；

②可变斜掠角纯飞翼构型，斜掠角可在0°～65°度间变化。在起飞/着陆阶段斜掠角为0°，随着飞行速度的增加斜掠角将增大，在跨声速时斜掠角达到最大（65°）以突破音障；

③机翼下设置有2个相互独立的发动机短舱，各装1台通用电气公司研制的J85—21型加力式涡轮喷气发动机（F—5E“虎”Ⅱ战斗机的动力装置）。在飞行过程中当处于大斜掠角状态时，相对于机翼来说1台发动机位置靠前而另1台发动机靠后，因而使整个飞机更符合面积律的要求，有利于减少最大设计速度（Ma1.2）时的波阻；

④后三点式起落架，主起落架安装在发动机舱前部，在后部另有一个后起落架；

⑤发动机短舱和机翼上的各操纵面均采用电力驱动，可通过最外边的操纵面使机翼倾转从而改变斜掠角，同时通过旋转短舱使发动机始终对准气流方向。

为配合“X飞机”的设计工作，诺·格公司还在此期间开发了一种有N个自由度的飞行控制仿真平台（在通常的6个自由度仿真基础上增加了飞行器气动弹性模式），并开展了一系列计算流体力学研究和模型风洞测试。到2007年1月，诺·格公司已经完成了“X飞机”模型低速风洞吹风试验，从2007年下半年开始进行高速风洞吹风试验，测试时最大风速达到了Ma1.3。到2007年11月，合同规定的OFW项目第一阶段的研究工作结束，按计划“X飞机”初始设计的评审工作将在2008年年内完成，随后将根据评审结果决定是否进一步开展第二阶段的工作。如果一切顺利的话，“X飞机”本应于2010—2011年问完成首飞，届时该机将是世界上首架无尾、超声速、可变斜掠翼飞行器。但是到2008年9月底，由于技术、经费等方面的原因，DARPA最后中止了“斜掠飞翼”研发项目，迄今仍没见恢复。

从目前的技术现状来看，尽管DARPA的OFW项目已经取得了一定进展，但要研发一种成熟实用的OFW飞行器还面临着很多难题，因此OFW项目与美国空军未来远程打击平台的实际需求还有一段距离。DARPA原来希望到2020年之后OFW能够进入实用阶段并成为美国空军新一代远程作战飞机的一种技术选择，但从目前的情况来看这种估计太过于乐观，迄今所披露的美国空军下一代情报搜集/远程打击平台（例如将于2018年具备初始作战能力的下一代轰炸机）各种方案中均没有考虑采用斜掠飞翼布局，仍将注意力集中在常规构型。尽管这样，鉴于斜掠翼的种种优异特性，采用这种布局的飞行器无疑将具备高效完成未来军事任务的潜力，因此对美国军方仍有很大的吸引力。

目前面临的主要难题和技术挑战

在斜掠翼飞行器的研发中，DARPA和诺·格公司面临着巨大的技术挑战，主要包括气动控制、气动弹性变形、飞行器结构设计和推进装置一体化设计等方面。

气动控制

据诺·格公司和其他美国航空界技术人员透露，研发斜掠翼飞行器的主要工程难题在于飞机的可控性问题。这是因为当斜掠翼处于小斜掠角位置时，机翼结构会产生共振现象，而当机翼处于大斜掠角位置时由于左右两侧机翼不对称，飞机的操纵会出现明显的滚转一偏航和滚转一俯仰耦合现象，这对飞行控制系统提出了很高要求。不过随着自动控制和计算机技术的发展，这个问题正逐步得到解决。

气动弹性变形

由于气动、结构及控制响应等作用，特别是机动和阵风的影响将导致机翼发生弯曲，因而气动弹性问题也是斜掠翼飞行器设计中的一个主要技术难点，这将增加气动力的不对称性，以及飞机随迎角和飞行速度变化的非线性。目前正在探讨利用复合材料和气动力剪裁技术来控制气动弹性。

推进装置一体化设计

斜掠翼飞行器当机翼斜掠角改变时，气流也会随之发生变化，因此很难保证没有分离气流进入发动机，这对发动机的布置造成很大困扰。目前诺·格公司采取的措施是将发动机安装在2个相互独立的短舱内，2个短舱之间保持有一定距离并悬挂在机翼下，当机翼斜掠角改变时发动机短舱也可旋转从而使发动机始终对准气流方向。

飞行器结构设计

斜掠翼飞行器左右两侧机翼连成一体，尽管有利于简化机翼与机身的连接结构，但同时也带来固定刚性较差的缺点，需要对机翼进行加固因而在结构重量上要付出更多代价。此外，与可变后掠翼类似，采用斜掠翼布局时也需设计一套复杂而可靠的转动枢轴机构来控制斜掠角的改变。

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