人字形机翼：战斗机机翼的新潮流

晨枫

飞机能飞的奥秘在于机翼，机翼是飞机的核心。战斗机作为高性能飞机的代表，战斗机机翼一直代表机翼设计的前沿，从二战前后的平直翼，发展到战后的后掠翼，然后是超音速时代的三角翼，如今是隐身时代的人字翼，也成兰姆达翼，兰姆达为看起来像人字的希腊字母。
9 _8 ?/ \8 {/ |, k6 p) O
在30年代，飞行速度尚未超过500公里/小时，但阿道夫·布斯曼已经开始研究超音速飞行的问题。超音速飞行首先需要解决激波阻力。

飞行体在超音速飞行时，前方的激波好比无形的大伞，顶着大伞前飞当然阻力巨大，平直翼简直就是顶着门板在飞了。布斯曼发现，如果机翼前缘后掠，来流可分解为流向（顺着飞行的方向）和法向（垂直于机翼前缘）两个份量。不管自由流的速度是多少，法向速度低于音速就可避免激波阻力。这就是后掠翼的理论基础。
$ X. f2 D4 D; w  [7 R& ~& s7 g' }
. n0 w! j. H: k) N1 H
机翼前缘后掠可以把气流速度分解为法向和流向两个分量，只要法向分量不超过音速，就可避免激波阻力的产生
, o' P2 O! L  c6 A; Q% ^
9 `" v2 O; ~: b0 r说是后掠翼的理论基础也不完整，三角翼同样用布斯曼的理论。实际上，布斯曼的理论只管机翼前缘，机翼后缘并无特殊要求。因此，战后初期，后掠翼首先登上舞台。
9 p% l# h3 ?% Y6 R
后掠翼好比把平直翼平转到后掠角度，机翼前后缘都后掠，尽管常见后掠翼的后缘角度比前缘后掠要小。后掠翼可以最大限度地利用平直翼的分析、设计和制造技术，在早期喷气战斗机的设计中大量采用。比如说，F-86“佩刀”式、米格-15/17/19等都使用后掠翼，今日高亚音速客机也基本上采用后掠翼，如C919、各种波音和空客。


; ?2 @5 `+ h4 ?! U; p2 k; Q早期喷气战斗机大多采用后掠翼，如米格-15

6 \* h0 k5 T+ I后掠翼的缺点是升力带来翼根扭转，很不利于受力设计，后掠角越大，翼根扭转的问题越大。

5 q4 B  d+ x" i7 s/ S1 j, }把后掠翼的后缘与机体之间的空隙填满，后缘拉到平直，就成为三角翼。三角翼的翼根很长，受力情况极大改善，翼内油箱的容积大。但传统平直翼的分析、设计和制造技术不能用了。


但三角翼逐渐成为超音速战斗机的主流，如幻影III
7 r8 D0 s. J% R8 |' Y% X
三角翼的翼面积比同等翼展的后掠翼大得多，但“含金量”不及后掠翼。翼面积越大，产生的升力越大，这是有利的。但三角翼产生升力的效率不如后掠翼。

气流的连续性是机翼产生升力的必要条件。也就是说，同一气流来流在前缘分成上下翼面气流后，要在后缘重新汇合。这样，上表面气流流经的路径较长，流速较高，压力较低；下表面气流正好相反；上下翼面的压力差就是升力。这要求上表面气流保持吸附，气流一旦分离，连续性假定就破坏了。下表面不是问题，压力较高本来就有利于保持吸附。
4 W( i+ u2 ]/ X0 l
% D: Y- w0 [0 \' N太长的弦长容易导致上表面气流分离，尤其在迎角增加的情况下，不仅降低升力产生的效率，还可能带来额外的阻力。为了在大迎角下保持气流吸附，人们采用了很多办法，如边条、翼身融合体、前缘襟翼等。

  a5 h. h( o, o: b
弦长增加容易在大迎角时发生上表面气流分离，导致升力损失和额外阻力
4 G3 R* l2 a9 V1 L8 U! S
三角翼成为60年代以后战斗机设计的主流，尽管有“幻影III”那样的无谓三角翼、米格-21那样的有尾三角翼、F-16那样的截梢三角翼、萨博“龙”式那样的凹式双三角翼和印度“光辉”那样的凸式双三角翼、“协和”式客机那样的S前缘的大三角翼等多种形式。

3 h/ }4 k# F& f, r, Y3 A在隐身时代，战斗机依然需要超音速，但隐身也要求边缘对齐，尤其避免与前进方向成直角的线和面。三角翼的平直后缘在气动上无碍，但在入射雷达面前，与平直前缘也差不多了，像门板一样。
( x! u* V, K/ n0 h# [7 b" ~4 N5 y6 j+ `
7 M: _7 Y. K; p- W1 H$ W: C菱形翼解决了后缘反射的问题，做到边缘对齐，但机翼内段弦长太长，气流容易发生分离。在同样翼展的情况下，翼面积不必要地大，机翼的结构重量和摩擦阻力增加，翼面积的“含金量”较低。YF-23是唯一已知采用菱形翼的战斗机。

. f% U0 T& n" P4 B9 P. Q
" z0 a, l. a4 c" g: U在隐身时代，三角翼变身为菱形翼，如YF-23
  N$ X' S. W; J* @& c+ k; O; ~+ u
9 g! C* Z6 A1 e2 e4 j人字翼实际上是菱形翼和后掠翼的结合。在菱形翼的基础上，缩小翼展，降低不必要的翼面积和翼根弦长，然后在外侧加一对大展弦比的后掠翼，在改善隐身的同时，提高机翼的升阻比，提高机翼气动效率。
$ L, `3 u" u7 h7 f5 ?: S: |# y! a# i
3 `7 G8 F* p8 J# b2 z; U7 W8 B
将菱形翼与后掠翼相结合，就成为人字翼，如JSF竞标时的麦道方案
* u) @2 [9 @- W% J' [
由于结合和菱形翼和后掠翼，人字翼的设计很灵活。既可以小后掠大翼展，极大提高亚音速升阻比；也可以大后掠小翼展，最大限度地降低超音速阻力。还可以灵活调整“胳肢窝”点，在接近后掠翼和接近菱形翼之间灵活过渡，在巡航经济性和高机动性之间寻求最优。
9 G% r2 t! g5 [0 {- o% g7 p8 G
) q- f0 j* F; }6 t; J  _8 @2 ^人字翼首先在JSF竞标中麦道方案得到使用，现在各种第六代战斗机设计中几乎成为标配，如英日意GCAS、德法NGF，无尾飞翼上也大量采用，如RQ-180、B-21。
( G/ L2 P2 }7 S/ u6 L3 K( R
- l; z1 l- e6 I2 c( m4 e, s* Q


0 }5 J. H7 S$ t7 y如今人字翼几乎是下一代战斗机的标配，如英日意的GCAS（上）和法德的NGF（下）
* }! m* E( n/ X: t# N5 ?5 P
" Y0 G" L: h5 ]
  h$ S+ }2 z3 a% Y$ j9 R/ }7 L" x" ^
4 [+ t* v9 N& y& X1 m
* z1 t# x+ J% p8 m$ p4 i无尾飞翼也采用人字翼，如B-21（上）、RQ-180（下）

人字翼用于无尾飞机是有意思的问题。大翼展有利于较高的升阻比和航程，大后掠有利于降低阻力和雷达反射特征，但这也容易使得升力中心靠后。升力中心不宜与重心相距太远，这就限制了人字翼无尾飞翼的后掠角和翼展。
3 @$ g, ~  j" [' \/ u" Q6 E
: {8 O. e) h% b! L! f: O/ E八字胡翼应运而生。八字胡翼的正式名称是曲折翼（cranked wing），可以看作人字翼的变异。内段可看作翼身融合体的延伸，前缘大后掠，后缘小前掠；外段为小后掠翼，具有很高的升阻比。

- Y" X/ }+ x% y  W! L
人字翼的一个变异是八字胡翼，如X-47B
; W" c; e. f, l
八字胡翼非常适合高升阻比的长航时飞机，X-47B就是典型应用。

人字翼及其变异是很值得重视的新型机翼。
8 T8 q0 I0 L- m3 Y
; Z$ i0 e  a; X9 J3 r( T: e6 Z' [
& v. `6 i! N9 U/ s" }