[科普中国]-三翼面布局

研究概况

三翼面布局最初见于1972年美国F-4 CCV研究机,但近年来民用飞机中，特别在通用 航空领域内也出现了不少三翼面布局飞机。根据飞机前翼的面积以及前翼和主翼间的 前后间距，把它们分为两种类型。一类是前翼较大间距较小类似于串置式的三翼机。美国设 计师Rutan曾在1982-1984年研制过两架这种飞机。两架飞机的外形相差不多，前翼翼展 略大于主翼翼展的一半，前主翼之间水平距离较小，前翼两端与主翼用撑杆相连，尾翼为常 规形式。其中一架GRIZZLY,前翼和主翼均略微向前掠，而且两者都装有宽达二分之一弦 长的襟翼，用来研究串翼机的短距起落性能。Rutan于1987年又研制成一种65%尺寸的 AT验证机。其布局为串置式三翼面，前翼和主翼基本上大小相等，都是大展弦比直机翼， 前后间距也较小，前翼略上反而主翼略下反，这样在翼尖处可形成有利干扰，提高气动效率。 两个兼作起落架舱和燃料舱的发动机短舱连同机身将前翼和主翼联系成构架，以降低大展 弦比机翼的重量。燃料舱的容积也比较大，可以贮存较多的燃油使航程增大很多。该机的主 翼上有八块高增升后退式襟翼，使其具有较好的短距起落性能。在1989年的巴黎航空展览 会上，苏联展出了一种Su-80短距起落多用途飞机。其布局同Rutan的65%AT验证机几 乎完全相似，唯一的区别是该机的主翼上有翼梢小翼。2

另一类三翼面布局的民用飞机上前翼与鸭翼相似，其面积较小而前翼与主翼间的距离 较大。其中较早研制且已经小批生产的是意大利的Piaggo 180飞机。该机于1979年开始研 制，并于1990年1月29日首次飞行，1990年中取得FAA(FAR-23)合格证。该机为双发涡 轮螺桨通用航空飞机，最多能载客9人。该机为前有小面积鸭翼，后有T形尾翼的三翼面布 局。鸭翼上有辅助的单缝后缘襟翼，它不起俯仰操纵作用，但与机翼上的襟翼协调偏转时起配平作用。因为鸭翼也产生升力，所以可减小机翼面积，从而降低巡航阻力及减少燃料消耗。 澳大利亚EAA公司的Eagle XTS是一架采用三翼面布局的双座复合材料轻型飞机，用作 空中放牧机，它的前翼在机翼的下前方，间隔较大。该机的低空性能很好，不易失速也不易进 入尾旋，具有良好的操纵性和安全性。该机自1988年春首次飞行，到同年10月已经飞行了 200小时，基本满足设计指标并取得澳大利亚ANOT01-55适航证(相当于欧洲的JAR22)， 已准备投入批生产。2

采用三翼面布局的战机不多,有俄罗斯的苏-33,34，47.此外,还有美国的F-15S/MTD/ACTIVE试验机，苏-37，米格-1.44试验机，日本T-2CCV试验机，中国的歼-15，德国F-104CCV试验机等。

对比分析国外对正常式(WT)、鸭式(CW)、三翼面(CWT)布局进行了对比和研究，经过一系列试验，得出如下结论：

1、CWT布局在所研究的迎角范围内与CW和WT布局相比，具有较大的升力，并且随 着鸭翼或尾翼迎角的增加，鸭翼和机翼间距离的缩小，鸭翼面积的增加，其总升力特性将得 到改善。而尾翼与机翼间垂直间隔的变化对升力不产生影响。2

2、在巡航状态下，CWT布局的阻力大于鸭式及正常式。巡航阻力是随着鸭翼迎角的增 加，尾翼迎角的减小，鸭翼与机翼间距离的增加，以及尾翼与机翼间垂直间隔的减小而增大 的。

3、在高升力情况下，CWT布局比CW和WT布局具有更好的阻力特性。随着鸭翼迎角 的增大，尾翼迎角的增大，鸭翼与机翼间距离的增大，鸭翼面积的增大，使高升力时的阻力特 性得到改善。然而尾翼与机翼间垂直间隔的变化对高升力阻力没有影响。2

4、CWT布局的零升力矩系数C。低于WT但高于CW布局，并随着鸭翼迎角的增加， 尾翼迎角的减小，尾翼与机翼间垂直间隔的增大，鸭翼与机翼间距离的减小及鸭翼面积的减 小而增大。

5、 CWT布局的焦点位于WT焦点的前方和CW焦点的后方，而且不随鸭翼或尾翼迎 角的变化而变化了但却随着尾翼与机翼间垂直间隔的减小，鸭翼与机翼间距离的增大及鸭翼 翼展的增大而前移。

6、 CWT布局在高升力时具有最好的升阻比L/D，但在巡航时却最小。相反WT布局在 巡航时最好而在高升力时最差。鸭翼与机翼间的间距小，有利于CWT布局的巡航性能，但不利于高升力时的性能。2

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。1

优点(1)三翼面布局飞机能提供更大的升力

通过大量计算分析表明, 增加一个前翼, 可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。风洞试验也表明, 二翼面时 , 操纵俯仰平衡的平尾可为负升力, 而三翼面时 , 前翼与平尾都可以产生正升力。在同样升力下 , 三翼面飞机迎角较小 , 气动阻力就小 , 升阻比提高 。前翼使气动平衡消耗变小, 由于前翼脱体涡的有利干扰作用使主翼升力加大, 使襟翼气动效率比无前翼时提高。3

(2)三翼面布局飞机能更有效地实现直接力控制

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立轴和横轴方向的直接力控制, 从而达到对飞行轨迹的精确控制。而一般的正常式布局飞机就算可以通过先进电传实现直接升力控制, 也很难实现直接侧力控制。当鸭翼、 机翼和平尾一同进行操纵时就能实现直接升力控制, 进行机身俯仰指向和垂直位移机动 ;当鸭翼差动和方向舵或者垂直腹鳍和方向舵操纵结合起来 , 就能实现直接侧力控制 。这就使战斗机的机动能力扩展到一个新的领域 ,无论在空 -空格斗或空 -地攻击中 , 都能创造出前所未有的机会, 显著提高作战效能和生存力。3

(3)三翼面布局飞机能够增大静不稳定度 ,充分发挥主动控制技术的潜力

这是由于三翼面飞机加装了前翼 , 全机焦点-气动中心前移的缘故 。如再采用多余度数字式电传操纵系统能适应其变化, 通过计算机对 3个舵面及襟副翼的同向转动或差动协调控制, 自动保证飞机的稳定性 , 既灵活机动又稳定。而二翼面的操纵往往相对滞后, 反应迟钝 。

(4)三翼面布局可以大大改善飞机的起降性能

试飞表明 , 起飞时, 增升装置气动效率提高, 升力增大 , 可轻松施加收放起落架时的平衡附加力矩, 而飞机姿态完全不受影响。降落时 ,全动前翼即成为减速板, 可减少滑跑距离, 有利于将现有常规布局飞机改为舰载机 , 比如苏 - 27加小前翼改为舰载型飞机 。3

(5)三翼面布局可使飞机的可靠安全性增加

三翼面布局具有更强的抗失速抗尾旋能力 。当飞机遇到强扰动气流 (如阵风 、 暴风等), 特别是遇到风切变时, 3个翼面均能产生滚转阻尼 ,使气流扰动迅速衰减 。在低空的湍流中飞行时 ,前翼是纵向振荡和抖振的积极和消极阻尼器 , 可提高飞行的安全性, 减少机体上的载荷并提高舒适性 , 因而也就提高了飞行员在颠簸条件下的战斗力 。也许将来的民航机会广泛且大量使用三翼面布局, 因为三翼面布局提高了飞机的稳定性 、安全性和乘座舒适度 。

(6)三翼面布局可减轻机翼上的载荷, 全机载荷分配更为合理 (参见概述图)。

这是因为常规二翼面飞机平尾上的升力往往是负升力, 而三翼面飞机前翼 、 水平尾翼均可产生正升力 , 使机翼载荷减少。这样机翼的尺寸、质量变小, 尽管增加了前翼以及操纵系统 , 如果在设计时将机翼合理设计, 那么三翼面布局飞机的尺寸和质量较二翼面会减少, 因此, 可以减小结构质量。假如从飞机设计的开始就考虑三翼面布局, 便可得到一架质量更小的飞机 。3

(7)在相同的外形尺寸下 , 三翼面布局飞机的起飞质量大大增加 , 其起 飞质量可增加50%。有资料表明 , “闪电 ” - 1000大力神运输机 (三翼面布局 )起飞质量达 9 ×105kg, 而与它尺寸差不多的 A -225 “梦幻” 大型运输机(二翼面布局)的起飞质量却只有 6 ×105kg, 这就说明三翼面布局飞机起飞质量比二翼面布局飞机的起飞质量增加了 50%。此外, 由于前翼提供了有效的辅助平衡力矩, 使机身长度缩短, 升力增大 , 机翼总面积减少。通过一些计算表明 , 在相同的起飞质量下 , 三翼面飞机尺寸比二翼面飞机减少约 20%。3

(8)容易实现二翼面飞机到三翼面飞机的改装根据我国情况, 在现有的 J - 7飞机上加装前翼, 它综合了正常式和鸭式布局的优点 , 不仅能够得到更好的气动特性, 而且还可进一步提高其飞行性能 。

存在问题三翼面布局虽有旋涡有利干扰的优点, 但当迎角增大到一定程度后, 旋涡会发生破裂, 导致稳定性和操纵性的突然变化以及气动力非线性的产生 。因而, 三翼面布局的设计中 , 前翼相对机翼的位置以及前翼的面积的选取一定要进行周密的分析和详尽的试验, 在小迎角下 , 前翼产生的涡流增加主翼的升力, 在大迎角下 , 这种前翼还是能利用其涡流增加机翼升力并控制机翼气流分离的 , 充分发挥三翼面布局在大迎角下利用和控制非定常脱体涡流升力的能力 。3

发展趋势苏 - 35战斗机 、 “金雕” 战斗机、 俄罗斯的 “闪电 ” - 100到 “闪电 ” - 1000等系列运输机, 以及意大利的 P180、 澳大利 亚的 XTS“鹰” 式飞机都采用了三翼面布局 , 经使用证明 ,三翼面布局飞机在失速特性 、 气动效率、 起落性能、 操纵稳定性、 安全性以及经济性等方面都比二翼面更先进 。3

由此可见 , 三翼面布局应用广泛, 无论是战斗机 、 运输机 、 舰载机, 还是未来的民航客机 ,三翼面布局都是一种非常有利的形式, 并将成为目前世界上最先进的气动布局 。3

通过对现有三翼面飞机的分析 , 以及三翼面布局在飞机上的实际运用 , 我们有理由相信 , 在具体的飞机设计过程中 , 三翼面布局为新世纪的飞机工程师设计性能优越的飞机提供了一个绝好的新思路 。