Question

1. 飞机的气动布局形式有哪些?请简述各布局形式的特点。(20分)

Answer 1

　　大千世界千变万化，飞机也是形态各异，大的、小的、胖的、瘦的，四个翅膀的、两个翅膀的甚至还有一个翅膀的，打个比方，飞机的式样就像宠物狗一样，当真是品种丰富，血统复杂。俗话说外行看热闹，内行看门道，既然飞机的外观是空气动力原理决定的，那么这么多种飞机的形状在飞机设计中就有个称谓，叫做空气动力布局。
　　苏－27的边条使之具有不亚于鸭式布局飞机的大迎角飞行操纵性，以至于可以做出
　　“普加契夫眼镜蛇”这样的高难度动作。

　　我们看到任何一架飞机，首先注意到的就是气动布局。简单地说，气动布局就是指
　　飞机的各翼面，如主翼、尾翼等是如何放置的，气动布局主要决定飞机的机动性，至于
　　发动机、座舱以及武器等放在哪里的问题，则笼统地称为飞机的总体布局。
　　飞机的设计任务不同，机动性要求也不一样，这必然导致气动布局形态各异。现代
　　作战飞机的气动布局有很多种，主要有常规布局、无尾布局、鸭式布局、三翼面布局和
　　飞翼布局等。这些布局都有各自的特殊性及优缺点。
　　EF－2000“台风”的前翼只有很小的面积，却有很大的作用。　　

　　常规布局
　　自从莱特兄弟发明第一架飞机以来，飞机设计师们通常将飞机的水平尾翼和垂直尾翼都
　　放在机翼后面的飞机尾部。这种布局一直沿用到现在，也是现代飞机最经常采用的气动布局，因此称之为“常规布局”。
　　20多年前，研究人员发现，如果在机翼前沿根部靠近机身两侧处增加一片大后掠角圆弧
　　形的机翼面积，就可以大为改善飞机大迎角状态的升力。这增加的部分在我国一般叫做“边条”。新式战斗机很多都采用这种布局，如俄罗斯的米格－29、苏－27、美国的F－22、F－16、F－18等。只要看到一型飞机采用了边条的设计，就可推测到这型飞机是强调近距离格斗性能，适合大迎角、大过载机动飞行的。
　　美国的飞机一直钟情于常规布局。虽然美国通过X－31试验机已经获得了鸭式布局设计
　　的要领，但在新一代战斗机F－22亮相时，大家看到的仍然是常规布局。

　　无尾布局
　　通常说的“无尾布局”，是指无水平尾翼，垂直尾翼还是有的。这种布局，在第二次世界大战时就开始实用了。德国的火箭动力战斗机Me－163就是这种布局。60年代采用这种布局的飞机比较多，如法国的“幻影”Ⅲ、美国的F－102、F－106、英国的“火神”式轰炸机等。在无尾布局的飞机上，副翼兼顾了平尾的作用。省去了平尾，可以减少飞机的重量和阻力，使之容易跨过音速阻力突增区，其缺点主要是起降性能差。
　　无尾布局的飞机高空高速性能好，适合做截击机用。但其低空区音速机动性能差，不符
　　合现代飞机发展趋势，正逐渐被鸭式布局所取代。
　　鸭式布局
　　鸭式布局，是一种十分适合于超音速空战的气动布局。早在二战前，前苏联已经发现如
　　果将水平尾翼移到主翼之前的机头两侧，就可以用较小的翼面来达到同样的操纵效能，而且
　　前翼和机翼可以同时产生升力，而不像水平尾翼那样，平衡俯仰力矩多数情况下会产生负升
　　力。早期的鸭式布局飞起来像一只鸭子，“鸭式布局”由此得名。
　　采用鸭式布局的飞机的前翼称为“鸭翼”。战机的鸭翼有两种，一种是不能操纵的，其功能是当飞机处在大迎角状态时加强机翼的前缘涡流，改善飞机大迎角状态的性能，也有利于飞机的短矩起降。真正有可操纵鸭翼的战机目前有欧洲的EF－2000、法国的“阵风”、瑞典的JAS－39等。这些飞机的鸭翼除了用以产生涡流外，还用于改善跨音速过程中安定性骤降的问题，同时也可减少配平阻力、有利于超音
　　速空战。在降落时，鸭翼还可偏转一个很大的负角，起减速板的作用。据称，俄罗斯下一代
　　的飞机也考虑使用鸭式布局。

　　三翼面布局
　　在常规布局的飞机主翼前机身两侧增加一对鸭翼的布局称为“三翼面布局”。俄罗斯的苏－34、苏－35和苏－37都采用这种布局。美国在F－18上也试过这种布局，但没有发展为生产型号。
　　三翼面布局的前翼所起的作用与鸭式布局的前翼相同，使飞机跨音速和超音速飞行时的
　　机动性较好。但目前这种布局的飞机大多是用常规布局的飞机改装成的。三翼面布局的缺点
　　是增加了鸭翼，阻力和重量自然也会增大，电传操纵系统也会复杂一些。不过这种布局对改
　　进常规布局战机的机动性会有较好的效果。

　　飞翼布局
　　早在二战期间，美国和德国就开始研究这种布局的飞机。现代采用飞翼布局的最新式飞机，就是大名鼎鼎的美国B－2隐型轰炸机。由于飞翼布局没有水平尾翼，连垂直尾翼都没有，只是像一片飘在天空中的树叶，所以其雷达反射波很弱，据说B－2在雷达上的反射面积只有同类大小飞机的百分之一。
　　过去，飞机没有电传操纵系统，也没有计算机帮助飞机员操纵飞机，因此，飞翼式飞机的飞行控制问题一直难以解决。现代化的B－2采用一套新式的副翼系统来进行方向操纵（请参照上一期今日军事的B－2图片）。这种副翼由上下两片合成，两片副翼可以分别向上或向下偏转，也可以两片合起来同时向上或向下偏转。当飞机需要转向时，一侧的副翼就张开，增加这一侧机翼的阻力，飞机就得到了偏转的力；如果飞机两侧副面张开相等角度，两侧机翼都增加阻力，就起到减速板的作用；如果副翼面上下两片结合起来一齐偏转，机翼一侧的副翼向上，另一侧的副翼向下，则起副翼作用，使飞机倾斜；如果左右两侧的副
　　翼同时向上或向下偏转，则这对副翼就能发挥升降舵的作用。这种多功能舵面主要用来保持或改变飞机的航向，所以称为“阻力方向舵”。

　　类似B－2这样的飞翼布局，其空气气动力效率高、升阻比大、隐身性能好，但机动性差、操纵效能低，所以这种局面目前只适用于轰炸机。
　　气动布局形式是气动布局设计中首先需要考虑的问题。目前飞机设计中主要采用的包括
　　以下几种：
　　正常布局；
　　鸭式布局；
　　变后掠布局；
　　三翼面布局；
　　无平尾布局；
　　无垂尾布局；
　　飞翼布局。

　　正常布局是迄今为止被使用最多的一种布局形式，目前仍然被应用于各类飞机之上。
　　鸭式布局在早期未能得到足够的重视，但随着超音速时代的来临，鸭式布局的优点逐渐
　　为人们所认识。目前广泛应用于战斗机之上的近距鸭式布局利用鸭翼与机翼的前缘分离
　　涡之间相互有利干扰使涡系更加稳定，推迟了涡的破裂，为大迎角飞行提供了足够的涡
　　升力，显著的提高了战斗机的机动性。此外，采用ACT和静不稳定的鸭式布局的优点则更
　　为突出。
　　变后掠布局较好的兼顾了飞机分别在高速和低速状态下对气动外形的要求，在六七十年
　　代曾得到广泛应用，但由于变后掠结构所带来的结构复杂性、结构重量的激增，再加上
　　其它一些更为简单有效的协调飞机高低速之间矛盾的措施的使用，在新发展的飞机中实
　　际上已经很少有采用这种布局形式的例子了。
　　三翼面布局形式可以说最早出现在六十年代初，米高扬设计局由米格-21改型而得的Е-
　　6Т3和Е-8试验机。三翼面的采用使得飞机机动性得到提高，而且宜于实现直接力控制
　　达到对飞行轨迹的精确控制，同时使飞机在载荷分配上也更趋合理。
　　无平尾、无垂尾和飞翼布局也可以统称为无尾布局。对于无平尾布局，其基本优点为：
　　超音速阻力小和飞机中两较轻，但其起降性能及其它一些性能不佳，总之以常规观点而
　　言，无尾布局不能算是一种理想的选择。然而，随着隐身成为现代军用飞机的主要要求
　　之一以及新一代战斗机对超音速巡航能力的要求，使得无尾——特别是无垂尾形式的战
　　斗机方案越来越受到更多的重视。
　　对于一架战斗机而言，实现无尾布局将带来诸多优点。首先是飞机重量显著减少；其次
　　，因为取消尾部使全机质量更趋合理地沿机翼翼展分布，从而可以减小机翼弯曲载荷，
　　使结构重量进一步减轻；另外，尾翼的取消可以明显减小飞机的气动阻力，同常规布局
　　相比，其型阻可减小60%以上；不言而喻，取消尾翼之后将使飞机的目标特征尺寸大为减
　　小，隐身性能得到极大提高；最后尾翼的取消同时减少了操纵面、作动器和液压系统，
　　从而也改善了维修性和具有了更低的全寿命周期成本。

　　在有垂尾的常规飞机上，垂尾的作用是提供偏航/滚转稳定性，尤其是偏航稳定性，此外
　　垂尾的方向舵还参与飞机的偏航控制。取消垂尾之后，飞机将变为航向静不稳定，同时
　　丧失偏航控制能力。采用放宽静稳技术之后，无垂尾飞机可以是航向静不稳的，但不能
　　是不可控的。针对这一问题可以采用推力矢量技术加以解决。推力矢量技术作为新一代
　　战斗机高机动性的主要动力目前已经得到了较为完善的发展，大量实验都证明，在无垂
　　尾的情况下，推力矢量具有足够有效的操纵功能。

　　一个不容忽视的问题是，推力矢量系统发生故障或者在作战中受伤后飞机如何操纵。在
　　最低的要求下，推力矢量系统失效后飞机至少还应具有安全返航的能力，因此无垂尾飞
　　机的平飞、不太剧烈的转弯机动以及着陆所需的偏航控制能力应该能够由气动力控制来
　　满足。作为无尾飞机的余度保险操纵方式之一的是与传统机翼设计方法完全不同的所谓
　　“主动气动弹性机翼”（AAW）。在传统机翼设计中，一般都要保证刚度以使机翼变形最
　　小，而AAW利用机翼的柔度作为一种对飞机进行操纵的方式，它通过使整个机翼发生一定
　　的变形而得到操纵飞机所需的气动力。通常规舵面相比，AAW具有效率高而翼面变形小的
　　特点。除了AAW技术之外，还有其它一些传统非传统的气动操纵方式也可以推力矢量系统
　　的余度保险和补充。它们包括开裂式副翼、机翼扰流板、全动翼梢、差动前翼、非对称
　　机头边条、扰流片-开缝-折流板（SSD）、前缘襟翼等等。

　　无论是采用AAW还是采用气动操纵面的方式，无尾飞机都需要有全新的飞行控制律。无尾
　　飞机在纵向和航向都将是静不稳定的，这就要求飞机上的各类操纵装置共同协作产生所
　　需的各种力和力矩，各操纵装置还将存在各种线性或非线性的相互干扰，使得控制律变
　　得相当复杂。此外在部分操纵装置失效的情况下，剩下的操纵装置需要实时重新构型，
　　并且需要实时地采用新的控制律，即所谓“重构系统”。这些都是无尾飞机设计中需要
　　加以解决的问题。
　　常规机翼的设计采用由操纵面产生操纵力、操纵力矩的方式控制飞机的运动。因为机翼
　　的刚度不足而带来的气动弹性效应将减弱操纵面的效能，同时使机翼的颤振特性变差，
　　为使这种操纵方式有效的发挥其作用，在设计中就必须使机翼具有足够的刚度，由此也
　　必然使机翼的结构显著重量增加，造成整机重量上升。
　　随着主动控制技术（ACT）的发展成熟及其在航空技术中的广泛运用，利用结构的柔度使
　　机翼产生一定的变形从而控制飞机运动的方法得以成为可能，这就是所谓“主动气动弹
　　性机翼（AAW）”。与常规机翼设计思路不同，AAW允许机翼进行大幅度的气动扭转，在
　　全权限、快速响应的主动控制系统的协调控制下，多个前后缘操纵面协调偏转，主动使
　　机翼发生所期望的弹性变形，由变形的机翼产生操纵力，从而控制飞机的运动。因为在
　　AAW中控制力由整个机翼而非几个操纵面产生，所以只要设计合理，操纵面仅需偏转很小
　　的角度（ ）即可提供足够的操纵力，而此时机翼的扭转变形较传统机翼还要小。
　　AAW通过主动有效地控制机翼的柔度达到控制飞机运动的目的，其关键技术包括ACT和气
　　动伺服弹性（ASE）技术，涉及气动、结构、控制等多门学科，是ASE、ACT、结构优化、
　　机翼设计、传感器、测量技术、计算技术等多项技术的综合。采用AAW之后可以获得很大
　　的收益，目前确知的包括：
　　显著增强控制能力；
　　全飞行包线内减小气动阻力；
　　减小机翼结构重量；
　　抑制颤振和提高颤振临界速度；
　　阵风与机动载荷减缓。
　　目前AAW的研究已经取得了一定的成果，其优点也得到了验证。将AAW应用于F/A-18的机
　　翼后，在性能不变的情况下，其结构重量下降48%，扭转刚度可以降低40%；又如将AAW应
　　用于F-16的机翼，机翼外段刚度可降低25%，结构重量降低20%，在高速压下控制效能却
　　提高了10%。
　　AAW的优点将给飞机控制方法带来一场变革，作为无尾布局飞机的最佳辅助控制手段，使
　　得AAW成为未来航空技术的一项关键技术。