从飞机布局观时代变迁

秦嘉政

纵观天上的飞机，虽然乍一看什么样子的都有，但是仔细看，总能够找到一些规律。从形状上来说，除了少数飞机以外，大部分飞机的俯视轮廓可以用一个“士”字来描绘——机身在中间，一对大机翼在前，一对小“机翼”在后，尾部还有一个竖着的尾翼。那么，飞机为什么要这样设计？飞机布局又是如何演变的呢？我们一起来看看吧！

飞机的控制

常见的飞机一般有五个比较大的翼面：机身中部的两个主翼，尾部的两个水平尾翼、一个垂直尾翼（有时是一对垂直尾翼）。主翼负责提供让飞机飞上天的升力，水平尾翼负责维持俯仰方向上的稳定性，而垂直尾翼负责维持飞机的航向稳定性。

除了这些比较明显的翼面外，飞机上还有许多可以活动的舵面。主翼上的两个舵面叫作“副翼”，能够让飞机产生横滚运动。水平尾翼上的升降舵可以让飞机做俯仰运动，垂直尾翼上的方向舵则负责让飞机产生横向的偏航运动。正是这些舵面构成了飞机的基本控制系统。早期的飞机舵面是靠着一条条钢索连接在驾驶员的操纵杆上，而现在的飞机舵面则是靠电脑和液压系统来控制的。

由这些基本翼面构成的常规型布局是最稳定、最成熟的飞机布局。这种布局是无数航空先驱在飞鸟的启发下不断探索出来的。它的尾翼在后可以有较大的控制力矩，方便调节飞机的姿态;主翼升力中心离重心很近，不会给飞机带来较大的俯仰力矩。在人类百年航空史中，这种布局一直存在，未来也将一直存在下去。

复翼飞机的时代

如果你对人类航空的早期历史有所了解的话，你一定会发现那个时候的人们在使用那种经常出现在动画片里的飞机：它们有一对双层机翼，前面还有一个巨大的螺旋桨。这种飞机叫作复翼飞机，根据机翼的层数不同，还可以细分为双翼机和三翼机。

那时的人为什么要将飞机做成这个样子？这是因为在飞行时代伊始，飞机主要由布、木头和钢材制成，重量较重。不仅如此，飞机发动机的功率还很小，这就导致飞机飞行速度很慢。飞不快再加上体重大，一副机翼所能提供的升力明显不够。这时，人们就想到多加几副机翼来提高升力，于是复翼飞机应运而生。当时甚至还有设计师为飞机设计了“千层派”或“脚手架”一般的多层复翼。

随着机翼的增多，飞机越来越重，飞机结构增加的重量甚至抵消掉了机翼能够提供的升力！后来，人们逐渐意识到机翼越多，飞机的阻力越大，飞行速度越受限。由此，最终经过筛选留下来的只有双翼机和三翼机。

卡普罗尼Ca.60九翼水上飞机

双翼机的布局现在一般用于那些特别需要飞得慢一些的飞机，比如为农田喷洒农药的飞机。这种布局的飞机还有一个特别的好处，就是由于它们飞得很慢，可以在草坪和荒野里起飞、降落，并不需要專门的机场。这对于农业飞机来说十分重要。

中规中矩的单翼飞机

随着人类在发动机研制上取得的进展，飞机飞得越来越快。飞机材料开始使用又轻又结实的铝合金。铝合金使很多以前用钢和木头做不到的结构变得可行起来。

此时，双翼机的布局与新动力、新材料已经不再匹配。于是，单翼飞机逐渐流行起来。相比于双翼机，单翼飞机的阻力更小，在使用相同的发动机时速度更快，机动性更强，效率也更高。而专用机场的大量修建，方便了飞机的起飞和降落。这些新变化都促使双翼机慢慢走向衰落。

在第一次世界大战之后，民用航空业迅速发展起来，军用航空业也对战斗机提出了更高的要求。作为航空史上最为璀璨的时代，许许多多的新概念纷纷出炉：比如早期的客机、运输机、航空母舰等都出现在这一时期。单翼飞机在这一时期的航空大发展中，以其巨大的速度优势和流畅简洁的外形展现了航空的“未来趋势”，于是各个国家开始加速单翼飞机的研制。

德国容克F13客机为过渡时期的产品

航空黄金时代刚开始不久，第二次世界大战爆发了。正是在战争中，单翼飞机的潜力被挖掘到了极限，涌现出一大批优秀的战斗机。随着发动机的发展，单翼飞机一直延续至今。

作为伴随航空史成长起来的机型，单翼飞机的发展历程十分漫长，所以从某种程度上来说，单翼飞机的机翼设计会表现出鲜明的时代特征。

活塞式发动机时代的单翼飞机

活塞式发动机输出的一般是旋转动力，所以无法直接带动飞机前进。于是人们给活塞飞机装上了螺旋桨，让螺旋桨为飞机提供推进力。由此，这种飞机又被称为活塞式螺旋桨飞机。不过要注意的是：并不是所有的螺旋桨飞机都要使用活塞式发动机！

P-51战斗机

早期的飞机因为发动机动力不足，飞行速度相对较慢，所以机翼的翼展必须足够大才能提供足够的升力。但限于当时的制造工艺，机翼一般会采取相对规则的形状，所以很多早期活塞式螺旋桨飞机都采用了大展弦比（机翼长且窄）的平直机翼，机翼边缘为直线，而机翼梢部一般采用平的翼尖或圆角翼尖收尾，机翼形态非常简洁。

这种平直机翼在中低速时升力较大，能够提升飞机的性能。而设计时相关的计算也相对更简单。这一时期，飞机与飞机在形状上的差别并不是很大，用一个词来评价就是“中规中矩”。尤其在“二战”中，飞机之间的差别小到战斗机飞行员常常会分不清空中的战斗机是敌是友，完全要靠飞机涂装才能辨认出来！

平直机翼的缺点也很明显：高速飞行时，气流会发生分离，阻力增大，限制了飞机的最大速度;又因为机翼太厚，增加了迎风面积的同时也会增加飞行阻力。在飞机发动机有了突破性进展后，平直机翼的这些缺点不可避免地成了提升飞机性能时的一道坎。

喷气式发动机时代的单翼飞机

在活塞式发动机时代，飞机需要螺旋桨来提供动力。当螺旋桨处于旋转状态时，它自己也会受其阻力的影响。飞机要飞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着螺旋桨要转得更快。这时问题来了，螺旋桨转得越快，它自身产生的阻力也会越大。这可怎么办？于是飞机设计师决定抛弃螺旋桨，开发一种不需要额外部件便能直接推动飞机飞行的发动机。这便有了可以将热能直接转化为推进能的喷气式发动机。

喷气式发动机

“二战”末期，喷气式发动机的广泛应用为飞机的动力带来了革命性突破。没有了螺旋桨这个“累赘”，加上发动机给予的强劲动力，航空业迎来了第二次大发展。

喷气式发动机虽然好，可是它消耗的燃油相对更多。为了降低燃油的消耗率，有些不需要太快速度的飞机采用了喷气式发动机与螺旋桨的组合，创造出涡轮螺旋桨和涡轮轴发动机。现在的运输机、直升机大多都采用了这两类发动机。

原来的平直机翼与最新的喷气动力搭r档，飞机飞行速度进一步提升时，机翼上表面最大空气流速超过了音速，这就出现了激波。激波会让机翼的阻力随着速度的提升而迅速增加，从而限制了飞机的最大飞行速度。为了解决这个问题，“后掠翼”出现了，并逐渐取代大部分平直翼，成为航空业的新宠。但平直翼并没有被彻底“淘汰”，由于在低速飞行时拥有良好的升阻比（升力与阻力的比值），平直翼仍然应用于一些慢速的运输机和教练机。

飞机跨音速飞行时会产生激波（圖为激波引起的音爆云）

后掠翼的创举

一般我们将后掠角超过25度的机翼叫作“后掠翼”，后掠翼的斜角使得气流的速度在垂直于机翼的方向上变小。后掠角越大，当气流出现激波时，飞机达到的速度就越快。不过，后掠翼相比平直翼而言，它的设计和制造难度更大，造价也更高。

机翼后掠角

那是不是后掠角越大越好呢？当然不是，当机翼长度一定时，后掠角越大，翼展就越小，相同速度下（尤其是低速时），产生的升力就会减小。所以，飞机在设计时就要经历一个取舍的过程，提高某一项性能，往往就要牺牲其他方面的性能。而选择哪个放弃哪个，就要看飞机的任务需求是什么了，所以一架适合任务需求的飞机才是真正的好飞机。

后掠翼出现后，很快便得到民航客机的青睐。这种翼型能够帮助大型远程飞机提升航速。阻力的减小还可以帮助飞机节省更多的燃油，进一步推动了航空客运业的发展。

与民航客机相比，军用航空对速度和性能的要求更高，所以不同国家在战斗机的设计上展现出各自的特色。在喷气式发动机刚刚出现时，各国也短暂出现过平直翼的喷气式战斗机如F-80、米格-9等。不过，在第一代之后，这种布局很快又消失了，取而代之的便是后掠翼战斗机，如F-86、米格-15等。第二代战斗机曾经短暂走上了“高空高速”的道路，在此期间工程师们为了增加机翼面积发明了三角翼。为了减小阻力，机翼变得越来越薄，翼展也越来越小。

再往后，各国开始注重大迎角飞行性能和跨音速机动I生的提升，飞机的布局也随之发生改变。这时出现了鸭式布局、边条翼布局和升力体布局等。随着工业的进步，飞机的曲面也越来越复杂和流畅，像第一代和第二代战斗机那种直筒式机身插上两个机翼的布局逐渐被翼身融合的布局所取代。

翼身融合的布局进一步减小了飞机的阻力，提升了飞行的速度。

第三代后掠翼超音速战斗机

特殊布局

在所有的战斗机布局中，有三种比较有趣的特殊布局。

第一种是变后掠翼布局。上文在介绍后掠翼时，大家已经知道，飞机低速飞行时小后掠角表现优异，而高速飞行时大后掠角性能更佳。这时你会不会想设计一种能在低速时变成小后掠角，高速时变成大后掠角的机翼呢？飞机设计师们就按照这种设想，设计出了“变后掠翼飞机”。

F-14战斗机

变后掠翼飞机

变后掠翼飞机的机翼可以随着速度的变化而改变后掠角的角度，由此得到最佳性能。变后掠翼飞机曾经短暂流行过一段时间，不过，这种飞机布局需要一套完整的机翼变动驱动装置，这会给飞机增加一些额外的重量。不仅如此，变后掠翼布局还需要非常结实的机身结构，这除了会给飞机带来重量的问题外，还会使飞机造价大幅提升。这种飞机的巅峰之作就是美国海军的F-14战斗机，它也是无数航空迷公认的“最有美感的战斗机”。

陣风”战斗机

第二种是鸭式布局。这种布局将控制翼面放在了主翼之前，飞行姿态很像鸭子，因而人们把前置的控制翼面称为“鸭翼”。鸭翼在前会产生涡流给后面的翼面增加升力，这个变化为飞机的发展又带来一次性能上的飞跃。然而，这种布局也使飞机变得非常不稳定而且难以控制。简单来说，就是常规布局的飞机在一般情况下可以保持稳定的飞行，如果被大风吹偏，飞机还可以自行恢复飞行方向。而鸭翼飞机在飞行过程中，飞行员要时刻注意飞机的姿态，被风吹偏后要及时修正。鸭翼飞机的大规模使用是在机载电脑发展之后，虽然计算机能够负责调整控制机身的抖动，但这种飞行控制程序也成为鸭式布局设计上的一个难点。

“台风”战斗机

B-2轰炸机

最后一种是极具科幻感的飞翼布局。飞翼布局只有一个主翼面，没有水平尾翼与垂直尾翼。这种布局拥有非常好的隐身性，普通雷达很难发现它，而且相对其他布局，它的载弹量非常大，可以利用的空间也很大，所以可以装载更多的燃油，能够进行远程飞行。

B-2轰炸机

当然这种布局也有缺点：由于缺少大型舵面，飞翼飞机很笨重，操纵性能差，也不够敏捷。同时，由于没有垂直尾翼，它在水平方向上也会产生类似鸭翼飞机的那种不稳定性，造成飞行控制上的难题。目前服役的飞翼布局飞机只有美国B-2轰炸机。

1913年至今，航空业已走过了一百多年的历程，而多种多样的飞机布局就标记着这段历程中的一个个重要节点。每一种飞机布局无论成功还是失败，都是人类为了征服蓝天迈出的一大步。“江山代有才人出，各领风骚数百年”，相信未来随着新技术、新材料的发展，还会有更多飞机布局诞生，引领航空业更上一层楼。