飞机气动布局的发展

很久以前，人类就有飞天的梦想。但一直到1903年，经莱特兄弟成功的飞行实践，人类才得以实现用比空气重的飞行器飞行的梦想。

从第一架飞机发明至今不到100年时间，但随着气动理论的不断完善和制造工艺的提高、新型材料和主动控制技术的应用，飞机的外形发生了很大的变化。

人类的第一架飞机，即莱特兄弟的飞机现被美国华盛顿国家航空和宇航博物馆收藏。这架飞机的机身骨架和机翼由枞木和桉木制成，螺旋桨叶片也是用枞木制成的。该机安装有一台12马力的活塞发动机，由它带动两个推进式螺旋桨。飞机的水平安定面和升降舵布置在机翼之前的飞机最前部，机翼是呈梯形的双翼，它的一角是柔软的，可由绳索牵引而收卷起来，进行横侧操纵。机尾安装有带方向舵的垂尾，飞机没有设置座舱，飞行员靠俯伏在飞机上实施操纵。

有了莱特兄弟的突破，世界各地的航空爱好者们前进的步伐更快了。飞机发动机功率不断增大，设置了敞开式座舱，水平安定面很快被后置，横侧操纵由我们所熟悉的副翼代替，用上了后三点式起落架，并出现了单翼机。

随着第一次世界大战的爆发，飞机很快就卷入了战争。从早期仅用于侦察，敌对双方飞机在空中相遇时飞行员用打手势表示抗议，发展到用手枪互相对射。这引起了军方的重视，飞机在很短的时间里就出现了专用于战争的战斗机，轰炸机。

在一战期间，交战各国的战斗机采用了双翼，甚至出现了三翼，并出现了封闭式座舱，但仍采用后三点式起落架。

到第二次世界大战，作战飞机的性能有了大幅度提高，双翼机很快被全金属的单翼机所取代，逐渐出现了前三点式起落架。速度达到了每小时700公里以上，升限达12000米，几乎是活塞式飞机的极限，想要再提高飞行速度和高度已相当困难了。

1939年8月，德国将涡轮喷气式发动机装上了飞机；1941年5月，英国也进行了喷气式飞机试飞；1942年10月，美国喷气式飞机也飞上了蓝天。40年代后期，喷气发动机逐渐推广，经几年迅速发展，50年代达到了全盛时期，被广泛应用于战斗机、轰炸机，后来又逐渐被民用飞机所采用，这些标志着飞机的发展进入了喷气式时代。它意味着飞机的飞行速度可以进一步提高，升限也可上升到一个新高度。为适应高速飞行的需要，推迟激波波阻的出现，机翼由平直翼过渡到了后掠翼，并成为高速飞机气动布局的主流。五六十年代，人们设计飞机的指导思想是追求高空高速，为达到此目的，机翼的后掠角也越来越大，并在后掠翼的基础上发展了三角翼，超音速飞机的机头还采用了尖头。但是，就是在今天，绝大多数飞机仍保留着我们熟悉的常规布局方式，即机翼无论是平直翼或后掠翼、三角翼，仍是产生升力的主要部件，平尾、垂尾后置于飞机尾部，普遍采用了前三点式起落架。

在战后的冷战时期，各国加紧了军备竞赛，为适应各种条件下的飞行，伴随着主动控制技术的逐步成熟，飞机出现了种种非常规布局形式。

最初出现的非常规布局飞机是无尾飞机，即飞机去掉了人们熟悉的水平尾翼。瑞典于1951年底开始设计的Saab－35飞机，采用了双三角翼无尾布局；于1953年开始研制，1956年首飞的法国“幻影”Ⅲ飞机也采用了无尾布局。没有了平尾，飞机升降舵的功能就由升降副翼取代。升降副翼成功地将升降舵和副翼合二为一，可为飞机提供仰和横侧操纵。采用无尾布局，飞机结构简单，重量减轻，对提高飞行性能极为有利。这种布局后来成为“幻影”系列飞机的常用布局，也被较大的“幻影”Ⅳ飞机所采用。

后掠翼飞机适于高速飞行，而且速度越大要求后掠角也越大，但是在低速飞行时又需要较小的后掠角，才能取得较好的气动特性。为在飞行中能够满足这种要求，60年代初，美国开始研制世界上第一种变后掠翼飞机，即F－111。苏联也于1963年开始研制变后掠翼飞机米格－23。紧随其后，美国又推出了F－14变后掠翼战斗机，苏联则推出了苏－20、苏－24等。变后掠翼的优点是可以在低速时以较小的后掠角飞行、高速时以较大的后掠角飞行，能同时满足飞机的低、高速飞行对气动布局的要求。由于大后掠角飞行时副翼操纵效能变差，F－111还率先采用了可差动偏转的平尾来帮助横侧操纵。

在美苏研制变后掠翼飞机的同时，瑞典则看中了另一种非常规布局形式，即鸭式布局，他们于1962年2月提出了鸭式布局加三角翼方案。1962年，Saab－37战斗机交付试飞，它也是现代鸭式布局的经典战斗机。与常规布局不同的是，它的平尾被安装到了机翼前方，机翼为小展弦比三角翼。在跨音速飞行时，该机前翼压力中心后移量不大，超音速飞行前翼产生的配平升力，可弥补一定的升力损失。与常规布局相比，在同样情况下，这种布局的飞机升力较大。飞机的俯仰操纵由升降副翼实施。这种布局实际上和莱特兄弟的“飞行者”一号飞机有些类似，由此可以看出，人们早就认识到了鸭式布局的优越性，并将其用于探索飞行。只是由于重心位置不易布置在焦点之前和大迎角下俯仰安定性差等原因，这种布局才一直未得到发展。

Saab－37设计成功之后，瑞典后来的军机普遍采用了鸭式布局。事实上，在Saab－37问世之前，美国的B－70超音速轰炸机就采用了鸭式布局。B－70于1957年12月提出设计方案，1964年9月21日首飞，并在1965年10月14日它的第17次飞行中，飞行速度达到了M3。但鸭式布局的大飞机发展不快，无论是军用还是民用，至今均尚未见到这方面的研究成果。

与此同时，由于推进技术的进步，采用常规布局形式的战斗机也取得了重大进展，突出的成就是研制成功了垂直起降战斗机。英国于1957年开始研制垂直起降战斗机，并于1966年8月试飞了世界上第一种实用型垂直起降战斗机“鹞”。该机采用了转向喷口技术，可利用从转向喷口喷出的发动机喷气流的反作用力直接使飞机离地，此时飞机的状态可通过控制设在翼尖、机头、机尾的喷嘴喷出的气流来实施控制。后来，苏联也研制了雅克－38和雅克－141垂直起降战斗机。

随着漩涡气动力学的发展，人们除了知道鸭式布局近距耦合可得到脱体涡，为机翼提供涡升力之外，还认识到了边条翼的重要性，即边条也能产生脱体涡，并为位于其后方的机翼提供涡升力。1963年8月试飞的SR－71高空侦察机就采用了无尾、带边条的三角翼，并首次采用了翼身融合体布局。飞机俯仰和横侧用升降副翼实施操纵，方向操纵采用了两副全动垂尾，这是世界上第一次采用全动垂尾。SR－71的出现，使人们对边条翼的优越性加深了认识，同时也认识到翼身融合体的优点。机翼和机身融合为一体，没有明显的分界面，可大幅度地降低干扰阻力和诱导阻力。机身纵剖面也采用了能产生升力的翼型面，可提高整机的升力，减轻结构重量。而且，飞机在获得最佳升阻比的同时，也得到了更大的机内空间，使机的载重能力增加，载油量增加，从而具有更长的航时和航程。此外，机载设备的布置也更加灵活，对获得良好的安定性和操纵性有很大的帮助。采用翼身融合技术还减小了雷达反射面积，为现代飞机的隐身技术提供了宝贵的经验。

此后，许多飞机也采用了翼身融合技术，如1972年设计、1974年2月试飞的F－16就采用了带边条的翼身融合体布局。该机采用了3裕度电传操纵系统、高过载座舱。它的空战襟翼（含前缘襟翼、后缘襟副翼）可随迎角和飞行M数的变化进行全翼展自动调节，能使升阻比达到最佳化，所以飞机的飞行性能可大幅度提高。现在俄罗斯的苏－27、米格－29也采用了和F－16类似的布局，并安装了带有辅助进气口的发动机，使它们具有了进行“眼镜蛇”机动飞行的能力，曾引起航空界的广泛关注。

边条翼、高效的机动襟翼及大推重比发动机的应用，使许多重型战斗机的起飞、着陆性能大幅度提高，如苏－27飞机正常起飞重量23吨、最大起飞重量33吨，而它的起飞滑跑距离仅400米，着陆滑跑距离也只有550米，对机场的依赖明显减小，甚至可以在土跑道上起降。这就使垂直起降飞机和变后掠翼飞机失去了优势，因为为获得良好的安定和操纵性能，它们要付出配置更大推重比发动机的代价；变后掠翼由于结构复杂、重量增大，所以现代战斗机几乎不采用这种布局了。现代战斗机多采用带边条的中等后掠角外翼，再配以可全自动控制的空战襟翼的混合式机翼。

于1978年秘密研制、1989年7月首飞的美国B－2飞机，以其独特的外形引起了世人的注意。它在海湾战争和科索沃战争中的战绩，也倍受军界的青睐。呈飞翼外形的B－2，前缘平直，带33度后掠角，后缘呈双W型。飞机有8个操纵面，包含6个升降副翼和2个阻流方向舵。发动机、外挂武器设备等全部内置。这种采用飞翼布局的飞机升阻比大，能满足操纵性和隐身性的要求。由于该机采用了石墨/碳纤维复合材料、蜂窝状雷达吸波结构、雷达吸波材料涂层、锯齿状雷达散射结构等，可有效减小整机的雷达反射面积。加之将发动机内置和采用了一系列红外及可见光隐身措施，所以该机很难被雷达、红外跟踪。

在采用非常规布局的飞机中，值得一提的还有美国的X－29前掠翼验证机。该机采用了鸭翼、前掠翼，加后机身边条的布局，机翼内侧半翼后掠。它于1981年1月开始设计，1984年12月试飞。试飞结果表明，它与常规同级后掠翼飞机相比，在跨音速范围内升力可提高30％至40％，阻力可降低10％至20％，重量最多可减轻25％。前掠翼有后掠翼的飞机的所有优点，但在其机翼后掠和前掠的结合处，由于附面层厚，易先发生气流分离而导致失速。不过，这种采用鸭翼近距耦合的前掠翼布局，则可利用鸭翼产生的脱体涡卷走这里过厚的附面层，从根本上解决全机失速不一致的问题。

前掠翼布局的优点很早就为人们所知，但它有一个严重的缺陷，那就是气动弹性发散问题。如果以加强飞机的结构强度、刚度来解决气动弹性发散问题，势必会大大增加飞机的结构重量。所以，这个问题在相当长的时间内一直未能解决。直到复合材料得到发展并广泛用于飞机制造业，人们有可能使用重量轻、强度高、刚度好的高级复合材料来制造前掠翼之后，这个问题才得以根本解决。

X－29就是采用复合材料制成的，但该机并未发展到投入批量生产，前掠翼技术也一直未用到美国新设计的飞机上。

俄罗斯于1997年9月25日试飞了С－37前掠翼隐身战斗机。该机是在80年代美国研制F－22先进战术战斗机的同时着手研制的，试飞时间仅比F－22晚18天。С－37是融超音速和隐身于一体的新一代战斗机，和X－29比较，外观大致相同，不同的是：该机在鸭翼、前掠翼布局的基础，还采用了苏霍伊设计局自苏－27飞机后所惯用的翼身融合体，致使飞机的升阻比得到进一步提高，重量进一步减轻，也有效地改善了飞机的机动性。由于这种布局的本身减小了飞机雷达反射面积，加上又采用了一系列隐身技术，所以它的隐身性能有较大幅度提高。该机还保留了传统的平尾布局形式，由操纵全动平尾来实施全机的俯仰操纵。

从理论上看，应该说С－37的气动布局是最佳的，预计这种布局形式将会成为未来作战飞机的新模式，而一些大型飞机在技术条件成熟的情况下，也有可能仿效。

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