【飞机可以貌相】飞行原理与战斗机的划代(7)

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　　貌相，相什么?
　　
　　俗话说，人不可貌相，海水不可斗量。对飞机而言，人们更容易从外观上把飞机的能耐看个大概，并且把一个个飞机区分开来。大致方法就是三“看”，一看机翼的数量、外观及相对于机身的布局，二看尾翼数量、外观及相对于机身的布局，三看发动机的数量、外观及相对于机身的布局。
　　
　　千姿百态的机翼
　　
　　从机翼上区别飞机，首先应该理解为什么现在都是单翼飞机。设计者之所以把机翼的面积做得尽量大，是因为这样产生的升力也就越大，但受历史条件限制，早期的飞机制造机翼材料的强度不够，不可能被做得太大。为增大机翼面积，设计师们就造出了多层机翼的飞机，二层、三层甚至还有四层的，分别被称为双翼机、三翼机和四翼机等等。
　　20世纪20年代至40年代，三翼机及四翼机被淘汰出局，双翼机几乎一统天下。在同样的速度和机翼剖面下，双翼机的升力大于单翼机，安全性能也好，缺点是结构重，阻力大。之后，有两个原因使得几乎所有的飞机机翼数量都减至一个。原因之一，人们知道改变机翼的剖面而不是简单地扩大机翼的面积，也能够更好地产生升力：原因之二，飞机动力技术的发展，使飞行速度提高，从而产生更多的升力。因此，分析机翼数量减少的原因，能够更深刻地理解影响升力的几个重要因素。
　　双翼机现在只有在小型低速的飞机上还可见到，常被用于农田作业或短途的观光飞行，国产的运五飞机就属于这一类型。
　　飞机速度提高后，要求飞机的机翼做小，严格地说，就是减少飞机的展弦比，以减少超音速飞行时的激波阻力。因此，从外观上我们可以看到，机翼比较大的飞机，一般是低速飞机。
　　除以上提到的机翼数量、长短不同外，机翼在形状上也是多种多样的。飞机的飞行速度与机翼产生的升力成正比，阻力也随之变化。人们在探索中发现，如果使机翼与机身形成一定角度，能有效减少飞机的阻力。这个角度被称为后掠角，这种机翼就是后掠翼。后掠角大的机翼所受的阻力小，升力也小。因此后掠翼不适用于速度低的飞机，飞行速度越大的飞机其机翼的后掠角就越大。国产运七或“新舟”60型飞机，飞行速度仅为450千米／小时，它们不需要后掠翼：飞行速度在850千米／小时左右的如波音737和波音757飞机，它们的后掠角为25°；波音747飞行速度在900千米／小时左右，其后掠角增到37.5°，英法合造的“协和号”超音速民航机，采用的是三角形机翼，前段后掠角达到70°，后段也达到57°之多，实际上是双三角翼。
　　此外，除后掠翼外，机翼还有长方形(平直机翼)、梯形和三角形的等等。三角形机翼实际上是一种后掠翼，只是在机翼根部同机身连成一体，这样在兼顾后掠翼的同时，能获得较大的机翼面积，强度也较大。低速飞行的小型机，为便于制造，其机翼多选择长方形或平直机翼。随着动力系统技术的进步，飞机的速度越来越大，越来越多的现代飞机都采用后掠翼。
　　机翼也有前掠翼的，典型代表是苏联开发的第五代试验机―S-37。前掠翼在减少跨音速飞行时的阻力方面，与后掠翼有基本相同的作用，因为此时的临界速度只是真实气流相对速度的一个分量。但是在超音速情况下，其波阻较大，巡航和加速特性较差。前掠翼还有一大缺点翼尖位于翼根前，在气动载荷作用下，翼尖相对于翼根产生的扭转变形会使翼尖的攻角增大，引起气动载荷的进一步增加，这种恶性循环会破坏机翼结构。直到复合材料的出现，才解决前掠翼的气动弹性发散问题。但是，其失速特性比后掠翼好，有较好的抗尾旋性能。
　　根据机翼在机身上安装部位的不同，分成上单翼、中单翼及下单翼三类。上单翼飞机主要用于军用运输机，如国外的C-130、C-17、“伊尔”76，我国的运八。几乎所有的军用运输机都是上单翼，便于装货和卸货。如果采用下单翼，机翼上面通常吊装发动机，为给发动机安装留出适当的离地高度，机身也要相应地抬高，增加了机身的舷梯或斜板(货桥)的离地高度，给运货和卸货带来不便。
　　上单翼飞机的缺点是，起落架不能装在机翼内，否则机翼离地较高，起落架支柱会很长，全部放置在机翼内，空间就不够。所以，起落架要装在机身内，机身会承受很大的集中力，这些力和气密机身的载荷加在一起，大大增加了结构重量，缩短寿命。同时，在紧急着陆时，机翼(尤其是安装有发动机的机翼)可能压坏支撑它的机身和货舱，为避免这种情况，要加强机翼和机身连接处的结构，导致重量大大增加。此外，在水上应急降落时，机身在水面下，应急疏散旅客也很困难。
　　中单翼+飞机的干扰阻力是最小的(上单翼飞机的干扰阻力比之略高)。但是机翼需要穿舱，所以运输机(包括货运运输机及旅客运输机即客机)是不用的。大多数战斗机采用这种布局。
　　下单翼的干扰阻力最大，常常需要在机身和机翼连接处安装整流片来减少阻力。下单翼的优点是，可以在机翼内安装起落架，在应急着陆时保证飞机安全，水面上方便疏散旅客。同时发动机离地面较近，便于维护。由于机翼距地面较近，需要把机翼上翘，构成上反角，为安装发动机留出高度，同时维持侧向稳定。相应地，上单翼容易带来侧向的过分稳定，因此常常有一定的下反角，以抵消侧向过分稳定。例如，空警2000载机――伊尔76飞机，就是上单翼下反角，而空警200的载机――运八飞机，也是上单翼，但下反角不明显，只在机翼的中外翼可以见到较小的下反角。
　　民航飞机，也有采用上单翼的，这样不论乘客坐在舱内什么位置上，都可以通过舷窗饱览下面的风光，不受机翼阻挡，视野较好，采用下单翼的民航机则反之。我国的运七就采用了上单翼布局。还有一个原因是，它采用螺旋桨，桨叶长度一般比涡轮风扇发动机的风扇叶片要长，如果发动机和螺旋桨安装在机翼上，必须有足够的离地高度，只有靠上单翼来实现。
　　尾翼的形状也有很多。大多数飞机的平尾都是在垂尾下部，少数飞机平尾在垂尾上部(如歼-5)，或者是顶上(如伊尔-76)。大多数飞机的平尾有1个，也有无平尾的。由于平尾上有水平安定面和升降舵，如果没有平尾就没有俯仰稳定和操纵作用了。这种情况下，飞机俯仰上的操纵和稳定主要靠机翼后缘，造成操纵力矩的力臂较短(操纵力的作用点离重心更近)，操纵效率下降。另外，在飞机起降时，常常需要机翼的活动部分下偏一定角度，带来低头力矩，为了配平(即维持作用在全机上的各种力或力矩的平衡)，还要上偏，使操纵困难，配平阻力增加，限制了飞机的气动性能，现代飞机比较少用。它的优点是超音速阻力小，因为消除了沿平尾长度方向“筑”起来的“激波阻力”墙。无尾布局的代表作有幻影|||和SR-71。
　　有的飞机垂尾多于1个，目的是在 不能加大垂尾面积的情况下，改善航向稳定性，如苏-27、F-22。E-2由于机背安装有旋转天线罩，对飞机的航向安定性影响很大。如果加大垂尾面积，垂尾的高度就较高，雷达的电波被遮挡，只能增加垂尾数量。
　　从空气动力学的角度看，机身并不是必要的。因此，有的飞机干脆取消机身，只有一对机翼，称为飞翼，将所有设备和乘员都装入其中。飞翼的代表布局是美国的B-2隐身轰炸机和试验机X-36。
　　
　　常规布局与鸭式布局
　　
　　如果把“三看”中的前两看放在一起考虑，就有所谓的常规布局和鸭式布局的区别，涉及到飞机的气动布局，主要是指机翼和尾翼的相对位置关系。
　　飞机的气动布局是指飞机不同受力面的安排形式。全机气动特性的好坏，取决于各受力面之间的相互位置以及相对尺寸和形状。机翼是主要受力面，产生升力。平尾、垂尾等是辅助受力面，保证飞机的安定性和操纵性。
　　大部分飞机都是常规布局，是指尾翼(实际上是水平尾翼)在机翼后，包括F-22。而鸭式布局则相反，水平尾翼比机翼更靠近机头位置。还有一种布局，除了有机翼、水平前翼外，还装有水平尾翼，即三翼面布局。
　　由于鸭翼相当于水平尾翼前置，因此，水平尾翼的基本组成(即包含能运动的升降舵和不能运动的安定面)仍然保留。这个前翼的面积通常较大，并靠近机翼，即所谓的“近耦合鸭式布局”。在中、大攻角情况下，水平前翼和机翼前缘同时产生涡流，使涡流更稳定，产生很大的升力。由于机动性主要是指低速或大攻角所造成的升力不足情况下的操纵特征，其核心实际上是解决机动时的升力问题，因为不能让飞机在做花哨的动作时掉下来，于是在升力本来不够的情况下，靠鸭翼或鸭翼与机翼的耦合产生额外升力，所以，鸭式布局的机动性更好，这就是我国歼-10飞机采用鸭式布局的重要原因。
　　自20世纪70年代以来，在常规布局的基础上，发展出边条翼，即在中等后掠角(后掠角25°～45°左右)的机翼根部前缘处，加装一后掠角很大的细长翼(后掠角65°～85°)所形成的复合机翼，称为边条翼，原后掠翼称为基本翼，附加的细长前翼部分称为边条。边条翼的气动特点是，在亚、跨音速范围内，攻角不大时，气流从边条前缘发生分离，形成一个稳定的位于机翼前缘的涡流，不但较大幅增加了基本翼内翼段的升力，还控制外翼段的气流，在一定的攻角范围内不发生无规则的分离，提高了机翼的临界攻角，保证飞机具有良好的亚、跨音速气动特性，也提高了大攻角下的升力，改善了机动特性。此外，边条相当于机翼的等效后掠角增大，可明显降低跨音速时的激波阻力。采用边条翼的飞机很多，如我国的“枭龙”、L-15，美国的F-16、F/A-18以及苏联的米格-29、苏-27等。
　　鸭翼和边条翼通过增加升力，都能改善机动性，但两者有很大差别。鸭翼本身是一个操纵面，作为水平前翼，通常可动，而边条翼不是。
　　三翼面布局是在常规布局的基础上增加了一个水平前翼而构成的，即三翼面=前翼+机翼+平尾。它综合了正常式和鸭式布局的优点，经过仔细设计，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(AFT115布局)，机动性改善明显；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，升力增加，机动性得到更大提高。
　　三翼面布局在机翼前面加了一个前翼，使气动载荷分配更为合理，减轻了机翼上的载荷和结构重量。此外，增加了一个控制操纵性的可选手段(即自由度)，它与机翼的前、后缘襟翼及水平尾翼结合在一起，更方便地控制飞机受力并保证足够的恢复力矩，改善大攻角下的特性，提高最大升力。缺点是增加了部件，造成阻力和重量都有所增加。
　　总的说来，鸭式和无尾式布局多用于超音速为基本飞行状态的飞机，鸭式布局用于机动性较强的飞机上，常规布局般用于亚音速飞机或以亚音速飞行状态为主、超音速飞行状态为辅的飞机。
　　
　　重要的概念――配平
　　
　　飞机布局的基本出发点，是纵向配平，或者说，是升力和重力在各种情况下的平衡问题。重力的作用点称为重心，升力的作用点则称为焦点。以飞机的静稳定为例，机翼产生升力F，作用在焦点上：飞机的重力为G，作用在重心上，重心在焦点之前(即焦点比重心更偏向于飞机尾部)，这样的飞机称之为静稳定飞机，这是常规布局的基本特性。因为当飞机受到个来自下方的气流扰动时，飞机的攻角增大，呈抬头趋势，尾翼的攻角跟着增大，向上的升力增加，等效于给尾翼增加一个向上的力，给飞机一个低头力矩，维持飞机稳定。
　　有了配平的概念后，能更好地理解鸭式布局和边条翼的缺点。对于边条翼来说，由于涡升力的存在，导致飞机焦点前移，同时造成俯仰力矩的非线性变化；边条面积越大，俯仰力矩的非线性变化越剧烈。要想利用传统的机械一液压操纵系统进行控制是个不小的难题。对于鸭翼来说，当飞机受到来自下方的气流扰动时，鸭翼攻角和升力增加，作用在鸭翼上与在机翼上的升力分属重心两侧，鸭翼上的升力进一步加剧抬头趋势，使飞机具有更大的偏离平衡位置的趋势，所以说鸭式布局飞机稳定性比较差。
　　
　　从《2012》中的大飞机谈发动机的布置特点
　　
　　现代飞机一般使用带涡轮的喷气式发动机。发动机类型不同，外观上差异很大。大多数中大型飞机的发动机都布置在机翼下面的吊舱中，考虑到对称性，一般为偶数，但最多不超过4个。特别现在单个发动机的推力大大增加，可靠性也大大增加，2个发动机的效能超过原来的4个，可靠性方面，2个也比4个好。例如，波音767相比波音707，发动机就由4个变成了2个。对于少数大型飞机，对功率要求很高，发动机数量高达6个，如世界上最大的飞机安-225。顺便指出，现代的飞机，主要是民航机或大型运输机，4发的已经不多了。
　　对于少数发动机，其安装位置还可能在后机身上，如三叉戟飞机以及图-154，发动机数目一般是奇数。
　　发动机的进气道位置及其数量是识别飞机特别是战斗机的重要特征之。如苏-27飞机的进气道位于机腹下，有2个，呈斜向放置；F-16飞机的进气道位于机腹下，只有1个，呈半椭圆型。从进气口的数量也可以知道发动机的个数。
　　
　　隐身特性对飞机外观的影响
　　
　　隐身技术是二战后出现的重要军事技术之一，它使战场军事装备向隐身方向发展，至20世纪90年代，开始出现隐身飞机。“隐身”主要是指雷达隐身，也就是不让雷达发现飞机。
　　雷达观测飞机，自身发射无线电波照射到飞机，飞机会向各个方向对雷达波散射，其中一部分散射波朝向雷达返回，雷达接收后进行处理，从而发现飞机 并测量其位置。
　　从这个原理可以看出，雷达隐身就是要降低后向散射回波，即减少进入雷达的反射回波。降低后向散射有两个途径。一是让飞机更多地吸收雷达照射过来的电磁波，再反射回雷达的电磁波就少了，飞机可采用特殊材料，特别是吸波材料。二是让散射波更多地向别的方向散射，而不是向雷达方向散射。这通过对飞机的外形进行特殊设计来实现。
　　飞机在外形上进行隐身的主要办法之一是，消除能构成角反射体的外形布局。所谓角反射体，是指2个或3个互相垂直的矩形金属平面构成的反射体，可将某个方向上照射过来的电磁波几乎全按原方向返回。消除角反射体，就要求机身垂直侧面与机翼采用翼身融合体设计，尽量减少机身与机翼的垂直关系，实现不同平面交接处的平缓而光滑的过渡(即机身与机翼的融合)。而垂尾与平尾构成的角反射体，可以用倾斜的垂尾来解决。简单地说，采用倾斜的平面是实现隐身的重要手段之一。
　　飞机外形隐身的第二个方法是用反射较弱的部件遮挡反射较强的部件。例如，F-117将进气道安装在机身背部，被机身和机翼遮挡。但这样布置进气道，大攻角下的特性不好，更容易在机背后面产生气流分离。此外，利用机翼及边条遮挡机身侧向，也可以降低飞机侧向反射雷达波的能力。
　　飞机外形隐身的第三个方法是，让全机各个翼面的棱边平行，使来自最有威胁方向上的照射尽量反射到其它威胁程度较低的方向上去，它实际上是第一种方法的发展。例如，F-22的机翼、平尾和垂尾的前缘和后缘互相平行。B-2轰炸机的机翼后缘形成左右2个“M”型，构成了2组其8条平行线，每组4条。
　　飞机外形隐身的第四个办法是将武器系统内置，如F-22和B-2，不足是增加迎风面积使阻力加大。
　　从机翼的角度看，如果要实现隐身，应该采用后掠角大、展弦比小和根梢比大的机翼。后掠角大，对入射雷达波反射方向的改变越明显：展弦比较小，即翼展较小，可减少雷达波所接触的机身面积，从而降低雷达反射：而根梢比大，翼弦就较宽，对机身侧面的遮蔽效果显著。F-117是远程亚音速攻击机，从气动力的观点来看，其较佳的设计是小后掠、大展弦比，这样低速性能较好，为了保证良好的隐身性，F-117牺牲了气动效率。此外，F-11 7的机身由多面体构成，出发点还是从隐身考虑。机身的每块平面都有倾角，垂直平面倾斜角和水平平面内的后掠角都很大，周围来的雷达波都向上折射，地面雷达和水平面上的敌机的雷达都接收不到，对降低机身的雷达反射信号有明显的作用。但这种多棱边机身很容易产生气流分离，阻力较大，结构受力也不利。
　　在本篇里，介绍了一些重要的布局特征 只要你是一个有心人，就能从飞机的外观看出它包括定位、功能甚至是技术特点在内的很多门道。例如，我们从飞机的外形可以看出飞机是否进行了“隐身”设计，而这与战斗机的划代有关。那么，战斗机到底是如何划代的，它有哪些依据，飞机的划代特征，特别是隐身特征，对现代空战会产生怎样影响?请看本系列最后一篇：并不存在的代之惑――飞行原理和战斗机的划代(8)
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