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。
5 I7 Z- |  D. U2 f
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。

3 A5 _) P( W0 O  u7 E0 i0 h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。
. T: q4 X5 L( F% }0 S- a! A* {+ t4 m& A" e
/ b- y, u# U7 J
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
" N9 @4 g& y, v
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。

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。
" e5 I: y% p) d' [/ Q% ^
. l7 ?4 K: Z8 |' u% {, c# S
6 N' v" R: D7 r早期喷气战斗机大多采用后掠翼，如米格-15

! w4 G2 A5 G* g. @$ s4 N+ ?8 V) k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。
: d( @2 n1 p! T$ c7 h
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。

+ p6 r3 a& @$ v; H# n0 O( U
  `- [5 ^7 E# p, ~1 y; B但三角翼逐渐成为超音速战斗机的主流，如幻影III

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。
9 T( X/ @  s! B1 `" s0 D  z6 \- ~
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。
+ g- u6 n& \5 h( o! w7 X9 u; Y* p
- s0 D: V5 A" L( V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。

- |7 ~" K& R6 c% I, P. f$ Y' Q" }
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
' @  _. m( p% I
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。

% d/ S, j4 M. T9 K( K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。
# |+ j- Q+ k; {
" |: f6 F4 b1 D- j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。


3 z# _( F( a5 B在隐身时代，三角翼变身为菱形翼，如YF-23

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。


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

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。
4 Q; r1 Z2 v( t; G
. V: V. X5 k+ G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。
$ C- v9 G  j3 {& F- R. j/ Z

# q% y/ ^! l6 {" D' n! @
6 }# ^/ a% H& R& O) P! S
/ C6 R; v. R, P, D% j/ }, c& |6 B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）


; K: I5 e4 \6 f% ^* n7 K
5 n) f) g9 p8 ]  h: c1 x$ e6 H
" G5 w; K* |4 _; ?# L* N+ z无尾飞翼也采用人字翼，如B-21（上）、RQ-180（下）

3 ^7 `. \5 a& J* S$ {5 O0 e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。

$ U. Y6 a  [" I0 l' ?9 @( D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。

9 c! V0 x9 a5 h& n" T$ V
) u0 ]  E( i6 _# `" G# X" `  |6 A/ Z人字翼的一个变异是八字胡翼，如X-47B
$ f( ^$ T# i& ]9 Q% @" l0 B
+ q" s& p9 C1 k. C  \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。

/ h# K5 A# g/ E. g人字翼及其变异是很值得重视的新型机翼。

3 k3 @* P$ H" P- Q/ [% s! {
3 Q: t) ~0 x8 ^( `+ H. _1 W7 U