[科普中国]-环形机翼

简介

环形翼像一个短粗的空心筒子，上下圆弧部分产生升力，左右圆弧部分阻隔翼尖绕流，并提供方向稳定性。环形翼不存在横滚稳定性的问题，非常适合立式垂直起降飞机，并且环形翼还具有风阻小、结构重量轻、失速特性好、高速特性好、易于操纵以及易于安排立式飞机的起落架等优点。

环形翼最大的特别之处在于转弯。常规平面翼的飞机需要先横滚到一定的角度，然后拉高迎角，通过斜向升力的向心水平分量实现转弯。环形翼不需要横滚，可以直接指向所需要的迎角，实现转弯。这不光是操作习惯上的一个改变，也省却了横滚的步骤，在理论上可以提高机动性。

另外一个特别的是，平面翼飞机需要急转弯时，需要拉很大的横滚角，并增大迎角以补偿升力损失。环形翼不管怎么转弯，在横向指向的同时，一方面产生斜向升力的向心水平分量力用于转弯，另一方面上下的圆弧段依然在提供升力，不会因为平面翼飞机在急转弯时机翼几乎侧立而导致严重升力损失和失速的问题，也就是说，可以放心大胆地急转弯，增加机动性的容限。

但环形翼的翼展不容易增加，否则将成为大而无当的巨大圆筒，在设计和制造上带来很多陌生的问题；水平起落时起落架的设计也很困难，人员和货物的装卸困难就不提了，不过机身不在环形翼的圆心，而在圆弧的底部，可以避免很多这样的问题。在环形翼和矩形翼之间，当然可以有椭圆环翼，其特点也介于环形翼和矩形翼之间。1

发展历史1944年末的纳粹德国已经是岌岌可危，德国空军的抵抗依然顽强，却已经不能阻止盟军的轰炸机群将成千上万颗炸弹投向第三帝国的心脏地带。德国空军的机场作为盟军“重点照顾”的对象，经常遭到轮番轰炸，常常是满目疮痍。
在无法确保机场能够使用的被动情况下，纳粹德国空军部向各飞机公司发出了研制垂直起降战斗机的招标，位于奥地利的亨克尔飞机公司提出了He “Wespe”和He“Lerche”两个环形翼垂直起降战斗机的方案（顺带说一下，当时纳粹德国的许多重要军工单位并不在德国境内，而是位于德军占领区，例如著名的福克—沃尔夫飞机公司就位于荷兰，原本在德国境内的军工企业也纷纷在占领区内开设分厂，德军占领这些国家后，将占领区的工业企业纳入纳粹德国的军工体系，成为纳粹战争机器的一部分）。

He “Wespe” 有一个环形主翼和装有起落架的“X形”尾翼，环形翼与主翼之间有板状连接，两片“连接板”呈短翼状向外延伸，He “Wespe”采用一台功率为2000马力的He S021涡轮螺旋桨发动机，一副六叶螺旋桨被布置在机身与环形主翼之间，飞机以直立状态垂直起飞与降落，如同一架旋翼布置在机身中部的直升机，理论上可以在一小片经过平整的空地上起降。该机的武器是飞机头部的两门MK108型30毫米机炮，位置离飞行员座舱相当近。
1945年初，亨克尔飞机公司又提出了He “Wespe”的改进型号方案——He“Lerche”，He“Lerche”取消了短翼状延伸，尾翼也由“X形”改为120°夹角的三片尾翼，环形翼与机身之间的“连接板”也减少了。可能是出于可靠性和当时德国生产能力的考虑， He“Lerche”采用两台DB605A活塞发动机取代了He “Wespe”的He S021涡轮螺旋桨发动机，相应地取消了机头进气口。飞机首部完全被半球形透明飞行员座舱占据，两门MK108型30毫米机炮几乎就在飞行员座舱旁边，而且更加夸张的是，He“Lerche”的座舱内可以说没有座椅，飞行员以接近站立的姿势被固定在座舱内，这样设计可能会在飞机起降时为飞行员提供比较好的视野，但更可能使飞机的人机功效变得非常糟糕。有消息显示，He“Lerche”于1945年3月8日完成第一阶段设计工作，但还没等到原型机成形，纳粹德国就宣告灭亡。

其实，今天站在我们的角度看，虽然纵使是再先进的武器都拯救不了邪恶的法西斯第三帝国，但He “Wespe”和He“Lerche”并不能算是成功的截击战斗机，当飞机以直立状态垂直起飞与降落时，飞行员事实上是背靠大地面朝天，根本无法看到飞机下方的情况，起飞时还好，降落时就完全只能凭感觉，当然也是非常危险的。在那个连“电传飞行控制系统”的概念都没有时代，采用环形翼设计可能导致飞机因为“操作过灵”而变得“非常不稳定”，因此即使造出样机，其安全性也值得怀疑。

第二次世界大战后期，为了获得纳粹德国的先进技术，西方盟军、苏军甚至是一些中立国的情报部门都派出了特别行动队，搜寻被德军遗弃的德国新式武器图纸和样机、军工生产设备，俘虏德国设计人员，因此不少纳粹德国的“末日奇迹”在战后得以延续和发展。随着美英军队一起重返欧洲大陆的“自由法国”军队也不例外，喷气时代的法国航空工业的发展同样得到了原纳粹德国科技人员的帮助，C-450环形翼垂直起降战斗机就是其中之一。
在冷战时期，欧洲的北约国家普遍认为，一旦以苏联为首的华约集团凭借大规模的机械化部队发动全面进攻，肯定会首先使用大量地对地导弹和战术火箭进行高密度火力覆盖，华约空军也会在进攻时以绝对的数量优势铺天盖地袭来。在这种情况下，欧洲各国的机场可以说都是不能指望的，因此北约国家应当研制拥有垂直/短距起降能力的作战飞机确保在机场被华约导弹摧毁后仍然具有战斗力。在这种思想的指导下，北约各国纷纷掀起了垂直/短距起降战机的开发热潮，法国斯奈克玛公司在这一时期推出了C-450环形翼垂直起降战斗机。

只要将C-450的照片与He “Wespe”和He“Lerche”的想象图略作比较，就不难发现它们之间存在的某种渊源，法国人也承认C-450“借鉴了纳粹德国的设计方案”。与He “Wespe”和He“Lerche”相比，C-450的环形翼面积更大，几乎包裹了进气道之后的整个机身，尾翼则更小了，基本上就是机身与环形翼之间“连接板”的延伸。与He “Wespe”和He“Lerche”一样，C-450也以直立状态垂直起飞与降落，起落架位于环形主翼后部，也就是“桶身”上。

C-450是一架喷气式战斗机，采用一台涡轮喷气发动机（笔者推测可能是“阿塔”9B）作为动力来源，进气口位于机身两侧，不过有资料显示，C-450设计时也考虑过机头进气。资料显示，C-450原型机于1958年进行了首次成功的试飞，关于该机后来的发展情况，笔者手里的资料上只有四个字——“命运悲惨”，有一种说法是原型机在降落时坠毁。这似乎很容易理解，前面已经说过，飞机以直立状态垂直起飞与降落时，飞行员是背靠大地面朝天，根本无法看到飞机下方的情况，如果说采用螺旋桨动力的He “Wespe”和He“Lerche”还可以像直升飞机一样，逐步减小发动机的出力，靠螺旋桨的剩余升力慢慢降落的话，那么采用喷气式发动机的C-450一旦失去了动力就会像秤砣一样下坠，因此C-450降落时自然就更加危险。即使降落的问题得到解决，以当时的科技水平也未必能够解决环形翼飞机因“操作过灵”而带来的飞机稳定性问题（这一问题直到计算机技术被广泛地用于航空领域，电传飞行控制系统出现后，才算得到比较好的解决）。况且即使飞行与降落的安全问题得到解决，飞机的性能也不见得能令人满意。而且，在那次垂直/短距起降战机的开发热潮中诞生的机型，只有英国的 P.1127 最终“修成正果”，也就是著名的“鹞”式垂直/短距起降战斗机，其他机型无一例外地半途而废。事实证明，垂直/短距起降战机的飞行性能往往不是很好，即使是最成功的“鹞”式，也只能说是差强人意，于是C-450的下场也就没什么可奇怪的了。关于C-450及其改进型的后续发展情况，法国人一直没有完全公开，外界所知的大多是不重要且散乱的。换句话说，我们现在看到的，也不过是一些关于C-450的零星资料而已。

特点升力特性环翼机的总体特征为失速性能较好，这是因为后翼处于前翼的尾流区中，减小了最大有效仰角。

阻力特性在中、小仰角时，环翼阻力比传统固定翼小，当仰角增大，环翼的阻力增长率也比传统翼型低，可见总体来说，在低速条件下，环翼机的阻力特性较之传统翼更加优秀。

力矩特性在中、小仰角时，基本保持静稳定，而仰角较大时，出现静不稳定情况，这是由于出现了翼尖效应和翼根效应，使压力中心出现了前后位移。