[科普中国]-飞机气动构型

飞机气动布局设计不仅限于飞机气动外形的设计，还包括各种气动参数的选择，以及一些与气动特性有关的综合设计。飞机气动布局设计就是飞机空气动力的总体设计。

在机翼设计中，机翼面积是一个需要优选的参数。由于气动特性的不同，各种气动布局形式不同或不同机翼平面形状需要的机翼面积也不同，而尾翼的面积与机翼面积又有一定的关系，因此机翼面积(翼载)及其形状选择是飞机气动布局设计中需要同时确定的一个参数。

发动机类型和发动机循环参数的选择一般是概念设计研究的内容。在方案设计阶段主要确定发动机推力大小(但可能包括加力比或其他发动机循环参数的细调)，也就是确定飞机的推重比，由于各种布局方案的不同气动特性和对飞机重量的不同影响，在飞机气动布局设计中，推重比也是一个需要同时进行优化的参数。

实际上，在飞机气动布局设计中虽然考虑的出发点是空气动力，但必须同时考虑对重量的影响，这种影响来自两个方面，气动效率和燃油需要量，以及不同布局参数影响结构重量，而结构重量对性能的影响反过来又影响气动布局的选择。其关系如图1所示。2

根据各辅助翼面与机翼相对位置及辅助面的多少，有以下几种气动布局形式：

（1）正常式布局，水平尾翼在机翼之后；

（2）鸭式布局，水平前翼在机翼的前面；

（3）无尾或“飞翼”，飞机只有一对机翼；

（4）三翼面布局，机翼前面有水平前翼，机翼后面有水平尾翼。

其共同特点是对不同的升力值都能进行配平，在给定某一升力值时都能保持安定的运动。

多数战斗机都采用正常式布局。现代战斗机更强调中、低空机动性，要求飞机具有良好的大迎角特性。在20世纪70年代发展了边条机翼，在中到大迎角范围边条产生的脱体涡除本身具有高的涡升力增量外，还控制和改善了基本翼的外翼分离流动，从而提高了基本翼对升力的贡献。边条翼在大迎角时使升力增加，诱导阻力减小，跨音速时延缓波阻的增加，减小超声速的波阻(相对厚度减小)，但易使俯仰力矩发生上仰。随着主动控制技术的发展，采用放宽静安定度设计很容易解决纵向力矩局部不安定问题。由于边条翼所具有的优点，许多第三代战斗机，如F-16、F/A-18、米格-29、苏-27皆采用正常式边条翼布局，其机动性能尤为突出，图2给出了该四种飞机的三面图。美国第四代战斗机F-22A也采用了正常式布局，如图3所示。

随着主动控制技术的发展，电传操纵技术的成熟，把前翼设计得比较大(相对面积8%~15%)并靠近机翼构成所谓近耦合鸭式布局已成为现实。在中、大迎角时，前翼和机翼前缘同时产生脱体涡，两者相互干扰，使涡系更稳定而产生很高的涡升力。它与边条翼不同之处在于其主翼(基本翼后掠角也大)也产生脱体涡，两个脱体涡产生强有利干扰，属于脱体涡流型；而边条翼仅边条产生脱体涡，基本翼仍是分离流，属于混合流型。由于其大迎角特性优越，也是一种具有高机动性能的气动布局形式，典型代表机种为瑞典的JAS-39、法国的“阵风”、欧洲四国的EF-2000(如图4所示)。

鸭式布局的难点是鸭翼位置的选择以及大迎角俯仰力矩上仰的问题。因鸭翼面积大，产生的大升力在重心之前，俯仰力矩在大迎角时上仰严重，由于无平尾，如何保证在大迎角具有足够的低头操纵力矩成为难题，有时在后机身加边条(如X-29)或限制放宽静安定余度；当推力矢量技术成熟后，该问题容易解决了。俄罗斯的第五代战斗机米格I·42即是鸭式布局(如图5所示)。

由于无尾飞机没有前翼和平尾，其飞机的纵向操纵和配平仅靠机翼后缘的升降舵来实现，其一尾臂较短，效率不高；其二在飞机起降时，增加升力需下偏较大角度，由此带来低头力矩，为配平又需上偏，造成操纵困难和配平阻力增加，因而限制了飞机的气动性能，现代飞机比较少用，仅有法国的幻影Ⅲ及SR-71为无尾飞机，其优点是超声速阻力小。有了电传操纵系统后，可放宽静安定度，纵向操纵及配平问题得以解决，但大迎角气动特性不好，因此，一般第三代高机动战斗机都不采用，仅幻影2000和隐身轰炸机B-2采用了飞翼形式，现在进一步发展无立尾的飞机如美国的试验机X-36(如图6所示)。

三翼面布局是在正常式布局的基础上增加一个水平前翼而构成(即前翼+机翼+平尾)，因此，它综合了正常式和鸭式布局的优点，经过仔细设计，有可能得到更好的气动特性，特别是操纵和配平特性。F-15加前翼构成三翼面布局(AFTI-15布局)，其机动性改善是明显的，如图7所示；俄罗斯把苏-27加小前翼改为舰载型，又把苏-27加大前翼改成苏-35，其机动性得到更大提高，主要得益于升力的增加(如图8所示)。

在正常式布局的机翼前面加一个前翼，使气动载荷分配更合理，从而可以减轻机翼上的载荷，减少结构重量。此外，增加一个前翼操纵自由度，它与机翼的前、后缘襟翼及水平尾翼结合在一起可进行直接控制及保证大迎角有足够的低头恢复力矩，改善大迎角特性，提高最大升力；其缺点是因加前翼而使零升阻力和重量稍增加。

综上所述，各种布局形式特点不同，选择气动布局形式是一个综合、折衷的过程。对于现代高性能战斗机的设计，除要在亚、超声速及大、小迎角全包线范围内都具有满意的气动特性外，还要考虑隐身性能对外形的要求；而隐身与气动力对外形的要求有些是矛盾的，因此如何综合、优化气动力与隐身性能就更是总体布置和设计的一个主要任务。3