秦嘉政

縱觀天上的飛機(jī)，雖然乍一看什么樣子的都有，但是仔細(xì)看，總能夠找到一些規(guī)律。從形狀上來說，除了少數(shù)飛機(jī)以外，大部分飛機(jī)的俯視輪廓可以用一個(gè)“士”字來描繪——機(jī)身在中間，一對大機(jī)翼在前，一對小“機(jī)翼”在后，尾部還有一個(gè)豎著的尾翼。那么，飛機(jī)為什么要這樣設(shè)計(jì)？飛機(jī)布局又是如何演變的呢？我們一起來看看吧！

飛機(jī)的控制

常見的飛機(jī)一般有五個(gè)比較大的翼面：機(jī)身中部的兩個(gè)主翼，尾部的兩個(gè)水平尾翼、一個(gè)垂直尾翼（有時(shí)是一對垂直尾翼）。主翼負(fù)責(zé)提供讓飛機(jī)飛上天的升力，水平尾翼負(fù)責(zé)維持俯仰方向上的穩(wěn)定性，而垂直尾翼負(fù)責(zé)維持飛機(jī)的航向穩(wěn)定性。

除了這些比較明顯的翼面外，飛機(jī)上還有許多可以活動(dòng)的舵面。主翼上的兩個(gè)舵面叫作“副翼”，能夠讓飛機(jī)產(chǎn)生橫滾運(yùn)動(dòng)。水平尾翼上的升降舵可以讓飛機(jī)做俯仰運(yùn)動(dòng)，垂直尾翼上的方向舵則負(fù)責(zé)讓飛機(jī)產(chǎn)生橫向的偏航運(yùn)動(dòng)。正是這些舵面構(gòu)成了飛機(jī)的基本控制系統(tǒng)。早期的飛機(jī)舵面是靠著一條條鋼索連接在駕駛員的操縱桿上，而現(xiàn)在的飛機(jī)舵面則是靠電腦和液壓系統(tǒng)來控制的。

由這些基本翼面構(gòu)成的常規(guī)型布局是最穩(wěn)定、最成熟的飛機(jī)布局。這種布局是無數(shù)航空先驅(qū)在飛鳥的啟發(fā)下不斷探索出來的。它的尾翼在后可以有較大的控制力矩，方便調(diào)節(jié)飛機(jī)的姿態(tài);主翼升力中心離重心很近，不會(huì)給飛機(jī)帶來較大的俯仰力矩。在人類百年航空史中，這種布局一直存在，未來也將一直存在下去。

復(fù)翼飛機(jī)的時(shí)代

如果你對人類航空的早期歷史有所了解的話，你一定會(huì)發(fā)現(xiàn)那個(gè)時(shí)候的人們在使用那種經(jīng)常出現(xiàn)在動(dòng)畫片里的飛機(jī)：它們有一對雙層機(jī)翼，前面還有一個(gè)巨大的螺旋槳。這種飛機(jī)叫作復(fù)翼飛機(jī)，根據(jù)機(jī)翼的層數(shù)不同，還可以細(xì)分為雙翼機(jī)和三翼機(jī)。

那時(shí)的人為什么要將飛機(jī)做成這個(gè)樣子？這是因?yàn)樵陲w行時(shí)代伊始，飛機(jī)主要由布、木頭和鋼材制成，重量較重。不僅如此，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率還很小，這就導(dǎo)致飛機(jī)飛行速度很慢。飛不快再加上體重大，一副機(jī)翼所能提供的升力明顯不夠。這時(shí)，人們就想到多加幾副機(jī)翼來提高升力，于是復(fù)翼飛機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。當(dāng)時(shí)甚至還有設(shè)計(jì)師為飛機(jī)設(shè)計(jì)了“千層派”或“腳手架”一般的多層復(fù)翼。

隨著機(jī)翼的增多，飛機(jī)越來越重，飛機(jī)結(jié)構(gòu)增加的重量甚至抵消掉了機(jī)翼能夠提供的升力！后來，人們逐漸意識到機(jī)翼越多，飛機(jī)的阻力越大，飛行速度越受限。由此，最終經(jīng)過篩選留下來的只有雙翼機(jī)和三翼機(jī)。

卡普羅尼Ca.60九翼水上飛機(jī)

雙翼機(jī)的布局現(xiàn)在一般用于那些特別需要飛得慢一些的飛機(jī)，比如為農(nóng)田噴灑農(nóng)藥的飛機(jī)。這種布局的飛機(jī)還有一個(gè)特別的好處，就是由于它們飛得很慢，可以在草坪和荒野里起飛、降落，并不需要專門的機(jī)場。這對于農(nóng)業(yè)飛機(jī)來說十分重要。

中規(guī)中矩的單翼飛機(jī)

隨著人類在發(fā)動(dòng)機(jī)研制上取得的進(jìn)展，飛機(jī)飛得越來越快。飛機(jī)材料開始使用又輕又結(jié)實(shí)的鋁合金。鋁合金使很多以前用鋼和木頭做不到的結(jié)構(gòu)變得可行起來。

此時(shí)，雙翼機(jī)的布局與新動(dòng)力、新材料已經(jīng)不再匹配。于是，單翼飛機(jī)逐漸流行起來。相比于雙翼機(jī)，單翼飛機(jī)的阻力更小，在使用相同的發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)速度更快，機(jī)動(dòng)性更強(qiáng)，效率也更高。而專用機(jī)場的大量修建，方便了飛機(jī)的起飛和降落。這些新變化都促使雙翼機(jī)慢慢走向衰落。

在第一次世界大戰(zhàn)之后，民用航空業(yè)迅速發(fā)展起來，軍用航空業(yè)也對戰(zhàn)斗機(jī)提出了更高的要求。作為航空史上最為璀璨的時(shí)代，許許多多的新概念紛紛出爐：比如早期的客機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、航空母艦等都出現(xiàn)在這一時(shí)期。單翼飛機(jī)在這一時(shí)期的航空大發(fā)展中，以其巨大的速度優(yōu)勢和流暢簡潔的外形展現(xiàn)了航空的“未來趨勢”，于是各個(gè)國家開始加速單翼飛機(jī)的研制。

德國容克F13客機(jī)為過渡時(shí)期的產(chǎn)品

航空黃金時(shí)代剛開始不久，第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)了。正是在戰(zhàn)爭中，單翼飛機(jī)的潛力被挖掘到了極限，涌現(xiàn)出一大批優(yōu)秀的戰(zhàn)斗機(jī)。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，單翼飛機(jī)一直延續(xù)至今。

作為伴隨航空史成長起來的機(jī)型，單翼飛機(jī)的發(fā)展歷程十分漫長，所以從某種程度上來說，單翼飛機(jī)的機(jī)翼設(shè)計(jì)會(huì)表現(xiàn)出鮮明的時(shí)代特征。

活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)代的單翼飛機(jī)

活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的一般是旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，所以無法直接帶動(dòng)飛機(jī)前進(jìn)。于是人們給活塞飛機(jī)裝上了螺旋槳，讓螺旋槳為飛機(jī)提供推進(jìn)力。由此，這種飛機(jī)又被稱為活塞式螺旋槳飛機(jī)。不過要注意的是：并不是所有的螺旋槳飛機(jī)都要使用活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)！

P-51戰(zhàn)斗機(jī)

早期的飛機(jī)因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力不足，飛行速度相對較慢，所以機(jī)翼的翼展必須足夠大才能提供足夠的升力。但限于當(dāng)時(shí)的制造工藝，機(jī)翼一般會(huì)采取相對規(guī)則的形狀，所以很多早期活塞式螺旋槳飛機(jī)都采用了大展弦比（機(jī)翼長且窄）的平直機(jī)翼，機(jī)翼邊緣為直線，而機(jī)翼梢部一般采用平的翼尖或圓角翼尖收尾，機(jī)翼形態(tài)非常簡潔。

這種平直機(jī)翼在中低速時(shí)升力較大，能夠提升飛機(jī)的性能。而設(shè)計(jì)時(shí)相關(guān)的計(jì)算也相對更簡單。這一時(shí)期，飛機(jī)與飛機(jī)在形狀上的差別并不是很大，用一個(gè)詞來評價(jià)就是“中規(guī)中矩”。尤其在“二戰(zhàn)”中，飛機(jī)之間的差別小到戰(zhàn)斗機(jī)飛行員常常會(huì)分不清空中的戰(zhàn)斗機(jī)是敵是友，完全要靠飛機(jī)涂裝才能辨認(rèn)出來！

平直機(jī)翼的缺點(diǎn)也很明顯：高速飛行時(shí)，氣流會(huì)發(fā)生分離，阻力增大，限制了飛機(jī)的最大速度;又因?yàn)闄C(jī)翼太厚，增加了迎風(fēng)面積的同時(shí)也會(huì)增加飛行阻力。在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)有了突破性進(jìn)展后，平直機(jī)翼的這些缺點(diǎn)不可避免地成了提升飛機(jī)性能時(shí)的一道坎。

噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)代的單翼飛機(jī)

在活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)代，飛機(jī)需要螺旋槳來提供動(dòng)力。當(dāng)螺旋槳處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，它自己也會(huì)受其阻力的影響。飛機(jī)要飛得更快就需要以更大的推力克服更大的阻力，而更大的推力就意味著螺旋槳要轉(zhuǎn)得更快。這時(shí)問題來了，螺旋槳轉(zhuǎn)得越快，它自身產(chǎn)生的阻力也會(huì)越大。這可怎么辦？于是飛機(jī)設(shè)計(jì)師決定拋棄螺旋槳，開發(fā)一種不需要額外部件便能直接推動(dòng)飛機(jī)飛行的發(fā)動(dòng)機(jī)。這便有了可以將熱能直接轉(zhuǎn)化為推進(jìn)能的噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)。

噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)

“二戰(zhàn)”末期，噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的廣泛應(yīng)用為飛機(jī)的動(dòng)力帶來了革命性突破。沒有了螺旋槳這個(gè)“累贅”，加上發(fā)動(dòng)機(jī)給予的強(qiáng)勁動(dòng)力，航空業(yè)迎來了第二次大發(fā)展。

噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)雖然好，可是它消耗的燃油相對更多。為了降低燃油的消耗率，有些不需要太快速度的飛機(jī)采用了噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)與螺旋槳的組合，創(chuàng)造出渦輪螺旋槳和渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)?，F(xiàn)在的運(yùn)輸機(jī)、直升機(jī)大多都采用了這兩類發(fā)動(dòng)機(jī)。

原來的平直機(jī)翼與最新的噴氣動(dòng)力搭r檔，飛機(jī)飛行速度進(jìn)一步提升時(shí)，機(jī)翼上表面最大空氣流速超過了音速，這就出現(xiàn)了激波。激波會(huì)讓機(jī)翼的阻力隨著速度的提升而迅速增加，從而限制了飛機(jī)的最大飛行速度。為了解決這個(gè)問題，“后掠翼”出現(xiàn)了，并逐漸取代大部分平直翼，成為航空業(yè)的新寵。但平直翼并沒有被徹底“淘汰”，由于在低速飛行時(shí)擁有良好的升阻比（升力與阻力的比值），平直翼仍然應(yīng)用于一些慢速的運(yùn)輸機(jī)和教練機(jī)。

飛機(jī)跨音速飛行時(shí)會(huì)產(chǎn)生激波（圖為激波引起的音爆云）

后掠翼的創(chuàng)舉

一般我們將后掠角超過25度的機(jī)翼叫作“后掠翼”，后掠翼的斜角使得氣流的速度在垂直于機(jī)翼的方向上變小。后掠角越大，當(dāng)氣流出現(xiàn)激波時(shí)，飛機(jī)達(dá)到的速度就越快。不過，后掠翼相比平直翼而言，它的設(shè)計(jì)和制造難度更大，造價(jià)也更高。

機(jī)翼后掠角

那是不是后掠角越大越好呢？當(dāng)然不是，當(dāng)機(jī)翼長度一定時(shí)，后掠角越大，翼展就越小，相同速度下（尤其是低速時(shí)），產(chǎn)生的升力就會(huì)減小。所以，飛機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)就要經(jīng)歷一個(gè)取舍的過程，提高某一項(xiàng)性能，往往就要犧牲其他方面的性能。而選擇哪個(gè)放棄哪個(gè)，就要看飛機(jī)的任務(wù)需求是什么了，所以一架適合任務(wù)需求的飛機(jī)才是真正的好飛機(jī)。

后掠翼出現(xiàn)后，很快便得到民航客機(jī)的青睞。這種翼型能夠幫助大型遠(yuǎn)程飛機(jī)提升航速。阻力的減小還可以幫助飛機(jī)節(jié)省更多的燃油，進(jìn)一步推動(dòng)了航空客運(yùn)業(yè)的發(fā)展。

與民航客機(jī)相比，軍用航空對速度和性能的要求更高，所以不同國家在戰(zhàn)斗機(jī)的設(shè)計(jì)上展現(xiàn)出各自的特色。在噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)剛剛出現(xiàn)時(shí)，各國也短暫出現(xiàn)過平直翼的噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)如F-80、米格-9等。不過，在第一代之后，這種布局很快又消失了，取而代之的便是后掠翼戰(zhàn)斗機(jī)，如F-86、米格-15等。第二代戰(zhàn)斗機(jī)曾經(jīng)短暫走上了“高空高速”的道路，在此期間工程師們?yōu)榱嗽黾訖C(jī)翼面積發(fā)明了三角翼。為了減小阻力，機(jī)翼變得越來越薄，翼展也越來越小。

再往后，各國開始注重大迎角飛行性能和跨音速機(jī)動(dòng)I生的提升，飛機(jī)的布局也隨之發(fā)生改變。這時(shí)出現(xiàn)了鴨式布局、邊條翼布局和升力體布局等。隨著工業(yè)的進(jìn)步，飛機(jī)的曲面也越來越復(fù)雜和流暢，像第一代和第二代戰(zhàn)斗機(jī)那種直筒式機(jī)身插上兩個(gè)機(jī)翼的布局逐漸被翼身融合的布局所取代。

翼身融合的布局進(jìn)一步減小了飛機(jī)的阻力，提升了飛行的速度。

第三代后掠翼超音速戰(zhàn)斗機(jī)

特殊布局

在所有的戰(zhàn)斗機(jī)布局中，有三種比較有趣的特殊布局。

第一種是變后掠翼布局。上文在介紹后掠翼時(shí)，大家已經(jīng)知道，飛機(jī)低速飛行時(shí)小后掠角表現(xiàn)優(yōu)異，而高速飛行時(shí)大后掠角性能更佳。這時(shí)你會(huì)不會(huì)想設(shè)計(jì)一種能在低速時(shí)變成小后掠角，高速時(shí)變成大后掠角的機(jī)翼呢？飛機(jī)設(shè)計(jì)師們就按照這種設(shè)想，設(shè)計(jì)出了“變后掠翼飛機(jī)”。

F-14戰(zhàn)斗機(jī)

變后掠翼飛機(jī)

變后掠翼飛機(jī)的機(jī)翼可以隨著速度的變化而改變后掠角的角度，由此得到最佳性能。變后掠翼飛機(jī)曾經(jīng)短暫流行過一段時(shí)間，不過，這種飛機(jī)布局需要一套完整的機(jī)翼變動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，這會(huì)給飛機(jī)增加一些額外的重量。不僅如此，變后掠翼布局還需要非常結(jié)實(shí)的機(jī)身結(jié)構(gòu)，這除了會(huì)給飛機(jī)帶來重量的問題外，還會(huì)使飛機(jī)造價(jià)大幅提升。這種飛機(jī)的巔峰之作就是美國海軍的F-14戰(zhàn)斗機(jī)，它也是無數(shù)航空迷公認(rèn)的“最有美感的戰(zhàn)斗機(jī)”。

陣風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)

第二種是鴨式布局。這種布局將控制翼面放在了主翼之前，飛行姿態(tài)很像鴨子，因而人們把前置的控制翼面稱為“鴨翼”。鴨翼在前會(huì)產(chǎn)生渦流給后面的翼面增加升力，這個(gè)變化為飛機(jī)的發(fā)展又帶來一次性能上的飛躍。然而，這種布局也使飛機(jī)變得非常不穩(wěn)定而且難以控制。簡單來說，就是常規(guī)布局的飛機(jī)在一般情況下可以保持穩(wěn)定的飛行，如果被大風(fēng)吹偏，飛機(jī)還可以自行恢復(fù)飛行方向。而鴨翼飛機(jī)在飛行過程中，飛行員要時(shí)刻注意飛機(jī)的姿態(tài)，被風(fēng)吹偏后要及時(shí)修正。鴨翼飛機(jī)的大規(guī)模使用是在機(jī)載電腦發(fā)展之后，雖然計(jì)算機(jī)能夠負(fù)責(zé)調(diào)整控制機(jī)身的抖動(dòng)，但這種飛行控制程序也成為鴨式布局設(shè)計(jì)上的一個(gè)難點(diǎn)。

“臺(tái)風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)

B-2轟炸機(jī)

最后一種是極具科幻感的飛翼布局。飛翼布局只有一個(gè)主翼面，沒有水平尾翼與垂直尾翼。這種布局擁有非常好的隱身性，普通雷達(dá)很難發(fā)現(xiàn)它，而且相對其他布局，它的載彈量非常大，可以利用的空間也很大，所以可以裝載更多的燃油，能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程飛行。

B-2轟炸機(jī)

當(dāng)然這種布局也有缺點(diǎn)：由于缺少大型舵面，飛翼飛機(jī)很笨重，操縱性能差，也不夠敏捷。同時(shí)，由于沒有垂直尾翼，它在水平方向上也會(huì)產(chǎn)生類似鴨翼飛機(jī)的那種不穩(wěn)定性，造成飛行控制上的難題。目前服役的飛翼布局飛機(jī)只有美國B-2轟炸機(jī)。

1913年至今，航空業(yè)已走過了一百多年的歷程，而多種多樣的飛機(jī)布局就標(biāo)記著這段歷程中的一個(gè)個(gè)重要節(jié)點(diǎn)。每一種飛機(jī)布局無論成功還是失敗，都是人類為了征服藍(lán)天邁出的一大步。“江山代有才人出，各領(lǐng)風(fēng)騷數(shù)百年”，相信未來隨著新技術(shù)、新材料的發(fā)展，還會(huì)有更多飛機(jī)布局誕生，引領(lǐng)航空業(yè)更上一層樓。