“一体化”今昔谈

何述章

在最近的国际大型航展或电视节目中，有许多人都曾看到过这样一些镜头：俄罗斯的苏－37超机动战斗机轻盈地在空中作着各种超乎寻常的高难度动作；美国的新一代战斗机F－22“猛禽”拔地而起；象一只巨大的黑蝙蝠一样的隐身轰炸机B－2翱翔于蓝天白云之间……

这些现代飞机虽然各不相同，但都通体光滑，那怕是较小的凸包或突起物都很难找到；战斗机那小展弦比的菱形机翼和短而宽的机身浑然一体，共同组成一个巨大的升力面。另有消息说，欧洲空中客车公司已经宣布：载客上千人的飞翼式运输机和铁饼式客机将在21世纪问世。

凡此种种，莫不向人们传达一个信息，一种古老而又年轻的航空技术将向世人展示新的风采。这项航空技术就是飞机设计中的一体化。它在长期实践和应用的探索过程中，不断提高，逐步走向成熟，与其它航空新技术相互联系又相互融合，共同推动着飞机设计技术的向前发展。

从广义上来讲，一体化这一概念涉及到诸多领域，如设计一体化、人机一体化和陆海空作战一体化等，本文主要谈谈飞机设计中一体化技术及其应用。这其中又包括两个方面：一是飞机内部空间的一体化设计和利用；二是机翼和机身的相互融合。

回顾航空事业的发展历史，人们对一体化思想和技术的探索由来已久……

早期飞机的一体化设计

德国著名的飞机设计师胡戈·容克斯是研制金属飞机的先行者，也是一个采用一体化思想设计飞机的先驱。早在1910年，他就设计了一架代号为“容克”1000的一体化飞机。实际上，这架飞机是飞翼和短舱的结合体，主体部分是一个巨大的飞翼，其展长80米，中部最大弦长10米，最大厚度2.3米。飞翼的下翼面与两个短舱相连接，其内部也是相通的。机上有10名乘务员，可载100名旅客。驾驶舱和客舱全都安排在机翼上。两个短舱的前段为餐厅，能同时容纳36人就餐；短舱后段是起落架舱和货舱。动力装置为四台发动机，分别安装于两侧的机翼前缘。

容克斯的这个方案设计出来以后，并没有把它制造出来。他认识到这个方案似乎有些超前，按当时的制造水平难以做到，于是决定放弃。

1929年，他又设计了一架一体化飞机，代号为“容克G－38”，并把它造出来了。从外形上看，这是一架具有传统布局的飞机，采用了中单翼，翼展有44米，机翼中段最大弦长为10米，机翼根部的厚度为1.7米。两台发动机装在机翼中段前缘。

“容克G－38”的最大特点是除机身内有客舱外，在每边机翼的根部还设有客舱。机翼客舱与机翼客舱是相通的。两边的机翼客舱内各安排了6个座位，也就是说全机共36乘客中有12人是在机翼客舱内。他们通过机翼前缘的玻璃窗，可以自由自在地眺望下面的景色。“容克G－38”总共只制造了两架，其中一架后来加入了德国航空运输公司作为班机使用，另一架在二战期间被日本改装成92式重型轰炸机。

一体化与飞翼

在飞行器设计中，如果说一体化设计是将内部空间和外部形式都统一起来考虑的话，那么飞翼是最典型的一体化飞行器，同时也是最“古老”的。早在20年代初就有人研制这种飞行器，如1921年，德国的亚历山大·利比肖就设计了一种称为“RRC三角翼”的飞翼式飞机。该机全机为三角形，在后装一台推进式发动机，垂直尾翼装在两个机翼的翼尖上。1930年试飞时未达到预期效果，因此被认为无实用价值而放弃了。1939年，利比肖又制成了一架“RRC三角翼V”飞翼，也只进行了试飞，而没有投产。

美国的克洛德·斯奈达，从自然界片状物体的飘飞现象中受到启示，萌发了研制飞翼的念头。于是从1932年开始，先制造了一架飞翼式滑翔机“ARUP1号”。以后，在这架滑翔机的基础上安装一台发动机，变成了飞机，但试飞效果不佳。接着他又制造了“ARUP2号”飞翼机，装一台36马力的发动机，试飞获得成功，但由于资金短缺，只生产了两架，有一架交付使用过。

研制飞翼式飞行器的先驱人物，还有德国的豪丁兄弟、美国的金马曼和豪特等人，其中最有名的是美国诺斯罗普飞机公司的创始人杰克·诺斯罗普。他以在二战中设计了著名的P－61“黑寡妇”而闻名于世，实际上他还设计了一系列飞翼。年轻时，诺斯罗普对研究飞翼有浓厚的兴趣，1929年他曾设计了一架名为N9M的飞翼试验机，该机装有垂直尾翼。1943年他又设计了一架没有垂尾的YB－35飞翼式飞机，并得到了军方的支持。

YB－35采用箭形翼，乘员舱在中部靠前位置，四台活塞螺桨发动机装在机翼后缘。该机机体硕大，翼展52.4米，机长16米，机高6.1米。总升力面积372平方米。起飞重量约70吨，最大时速629公里，最大航程16000公里。YB－35是按重型轰炸机要求设计的，但试飞中发现操纵困难、机体振动严重等问题，不得不中途放弃。诺斯罗普并未因此而灰心，1945年他又提出了研制喷气飞翼的计划，并于同年与美国空军签订了制造两架原型机的合同，1947年月10月21日第一架原型机试飞，这就YB－49飞翼轰炸机。

YB－49基本保持了YB－35的气动外形，机体由一对后掠梯形翼组成，其前缘后掠翼为28度、后缘后掠角10度。驾驶舱和乘员舱设在飞翼中部前方，后面有一个可以向后延伸的尾锥，可以起到整流作用，也是尾炮塔的外壳，内装四挺12.7毫米口径的机炮。YB－49装八台涡轮喷气发动机，单台推力17.8千牛（1815公斤）。发动机分别埋装于机翼中部，每侧四台，进气口位于机翼前缘。为了增加飞翼的方向稳定性，在每侧机翼的后缘加装了两个垂直尾翼。

诺斯罗普认为，飞翼承受的全部重力都是沿展向分布的，与机翼的气动载荷分布情况基本一致。而不象普通飞机那样，重力主要集中在飞机中部，机翼要承受很大的弯曲载荷。因此，采用飞翼布局，不但升力大、阻力小，升阻比也大，而且结构重量也比较轻。YB－49正是采用了这种设计，所以获得了成功。在试飞过程中，YB－49创造过多项世界航空纪录，如832公里/小时的飞行速度和12180米的升限等，这些纪录在当时都是名列前茅的。

归纳起来飞翼式设计主要有这几方面的优点：一是它和三角翼飞机一样具有良好的稳定性，当它在飞行中受到气流扰动时，能自动从不稳定状态恢复到正常状态，不需要飞行员的干预；二是即使飞机进入失速螺旋状态，也能保持其操纵性和稳定性；三是由于机翼与机身平滑连接融为一体，机身完全隐埋，所以总体阻力大大减小，同时机体内部的空间能得到有效利用。

进入50年代后，一体化设计思想已开始被人们所认同，其技术也开始走向实用，于是出现了一些实用的飞翼式轰炸机。

“火神”与B－2

第二次世界大战后，美、苏、英等国为了加强空中威慑力量，竞相发展战略轰炸机。1947年1月，英国空军提出研制中程战略轰炸机的战术、技术要求，有五家飞机制造公司参加投标竞争，结果有三家公司的方案中标，要求制造原型机。三家公司的原型机分别为阿弗洛公司的“火神”（Vulcan）、汉德利·佩奇公司的“胜利者”（Victor）和维克斯公司的“勇士”（Viliant）。由于它们的英文名字都是V字打头，所以统称为“3V轰炸机”。1951年和1952年，这三种轰炸机开始进行飞行试验。

“火神”是“3V轰炸机”中的佼佼者，性能最好，生产数量最多（共生产约110架），服役时间也最长。“火神”采用无尾三角翼布局，是现代轰炸机中采用飞翼式设计的一个成功范例。该机翼展34米，机长30米，机翼面积达368平方米。它与一般的三角翼飞机不同的是，机翼前缘后掠角是变化的。从翼根到翼尖，后掠角从大变小，形成了一个弧形前缘。而且翼根弦长很大，差不多把整个机身都包起来了。四台发动机对称地安装在机身两侧的翼根处。

“火神”共有两种生产型，其中“火神”B Mk1装四台奥林帕斯101、102或104型涡轮喷气发动机，单台推力分别为48.5千牛、53千牛和57.4千牛。1955年2月首次试飞，1957年开始装备部队，第一批共生产45架。“火神”B Mk2与前者相比，换装了推力更大的奥林帕斯201或301型发动机，机翼面积加大，形状也作了修改，机头加装了空中加油受油管。1958年8月首次试飞，1960年开始交付部队使用。

“火神”的起飞重量为90吨，最大载弹量9.5吨，最大平飞速度1000公里/小时，实用升限19800米，作半径3700公里。在1982年4月的英阿马岛冲突中，“火神”作为英国的战略轰炸机参加了作战，于5月1日凌晨用水平投弹方式轰炸了马岛首府斯坦利港，但由于航程的限制，没能对阿根廷造成更大的威胁。

在布局上与“火神”相似的，是美国80年代中后期开始研制的B－2战略轰炸机。1981年10月，诺斯罗普飞机公司重操“旧业”，又开始研制新型的飞翼式飞机，当时称这一项目为ATB计划，即先进技术轰炸机。与从前的YB－49不同的是，这是一架集先进技术、设备和材料于一身的隐身轰炸机。1988年11月，B－2首次试飞。当它被拖出厂房公开亮相时，立即把人们惊呆了。该机外形奇特，完全看不出机身机翼，也没有平尾、垂尾等任何突出物，只有飞行员座舱略微凸起，全机犹如一个大的等腰三角翼，其后缘呈W形锯齿状，并装有操纵面。

B－2轰炸机的内部空间也得到了最大限度的利用，飞翼的两侧外段是整体油箱；起落架舱、发动机舱和武器舱依次从外向内一字排开；各种机载设备均埋装于机体之内，从外面根本看不出来。该机装四台通用电气公司研制的F118－GE－100型涡轮风扇发动机，单台最大推力84.5千牛。巡航速度900公里/小时，实用升限15200米，空中不加油航程8000～12200公里。最大起飞重量170吨，最大载弹量18吨。B－2可算是目前世界上最昂贵的飞机，总共21架，平均每架超过21亿美元。

一体化与翼身融合体

从60年代初期开始出现边条翼和翼身融合体技术。1959年美国洛克希德飞机公司开始为美国空军秘密研制一种速度可以达到M3的高速飞机，后来在此基础上发展成YF－12远程截击机和SR－71战略侦察机。前者中途停止发展，后者60年代中期试飞并少量生产，至今仍在使用。

SR－71率先采用了边条翼和翼身融合体技术。所谓翼身融合体，即将机翼和机身统一进行一体设计，彼此难分界线，融为一体。而不是象普通飞机那样机翼、机身分别设计，然后对接起，相互之间界线分明。在翼根前缘的前机身两侧，还加装了长而扁的大边条翼，使飞机机身不仅具有装载人员、设备和连接其它各部件的功能，同时也是一个升力体，可为飞机增升减阻。据介绍，SR－71在亚音速飞行时，升阻比可达到11.5；在超音速飞行时，升阻比也可达到6.1～6.5。另外从结构上来看，不仅有利于结构强度的增加和结构重量的减小，而且可利用空间扩大，如翼身融合部位和边条翼内的空间都可以利用，用来作侦察设备或武器舱等，可谓一举多得。

除此以外，美国的F－16战斗机、B－1超音速轰炸机和第四代超音速战斗机F－22（包括另一种原型机YF－23），以及俄罗斯（前苏联）的米格－29、苏－27及其派生型战斗机和图－160轰炸机等，都不同程度地采用了边条翼和翼身融合体技术，且有所发展，同时又各具特色，从而构成了新一代军机的独特风貌。

一体化与隐身技术

从上面的介绍来看，边条翼与翼身融合体几乎是同时出现和被应用于飞机设计上的，犹如孪生兄弟。它们不仅有利于改善飞机的气动特性，提高升阻比，同时对提高飞机的隐身性能也是大有好处的。

我们都知道，美国在研制新一代超音速战斗机时，曾出现过YF－22和YF－23两种原型机，虽然在竞争中，YF－22获胜，成为第四代超音速战斗机（生产型名为F－22），但从气动外形上来看，其隐身能力后者是优于前者的。

这两种原型机虽然都采用了边条翼和翼身融合体设计，但YF－22的翼身连接分明，且见棱见角；而YF－23的外形设计更为复杂，主要由曲线组成，翼身连接光滑，两台发动机埋装于机身后部，进气道采用S形设计。这些措施都有利于减小飞机的雷达反射截面积，提高飞机的隐身性能。至于最终为什么是YF－22获胜，主要是综合折衷的结果。对于第四代超音速战斗机不仅要求隐身性能，同时也要具备超音速巡航能力和机动性能等。综合起来考虑，YF－23可能不如YF－22，而单从隐身性能上讲，YF－23是占优势的。

F－117是世界上第一种实用的隐身战斗/攻击机，也是采用一体化设计的典型。该机采用锥状多面体机身和后掠下单翼布局，两翼前均为直线，相交于机头，形成一个大三角，翼身之间难以区分；两台发动机埋装于机体之内，进气道和尾喷口都有采取了屏蔽措施；尾翼呈V字形，相互夹角85度，后角65度；在机体上，所有的舱门和口盖均采用锯齿边设计；加上在结构上大量使用新型材料，如先进的复合材料和表面吸波涂层等。由于采用了这些先进技术，并通过一体化设计，使F－117的雷达反射截面积（RCS）达到了0.01平方米的水平，比一个飞行员头盔的RCS值还要小。

再说，还有一种差不多和B－2轰炸机同时露面，后又很快消失的A－12隐身攻击机。这也是一种飞翼式飞机，平面形状为三角形，其前缘和后缘都呈直线，周身平滑无突出物，只有飞行员座舱稍稍隆起。这样的气动外形，加上采用先进的结构材料和吸波涂层等措施，其隐身性能也是不错的。

未来的一体化趋势

随着时间的发展，一体化思想和技术不仅在军用飞机设计中得到应用，而且将在民用飞机设计和其它领域中得到应用和推广。

前面已经提到，欧洲空中客车公司已经宣布：载客上千人的飞翼式运输机和铁饼式客机将在21世纪问世。关于飞翼式运输机有人已提出设想，并曾见诸报端。这是一个宠然大物，宽大的机体仅由两个带有后掠的机翼组成，体内既可载物也可载人，而且数量达千人之众。至于设计特点与前面介绍的飞翼式飞行器大同小异，在此不再重复。

所谓铁饼式客机，是将机体中部设计成中间厚四周薄的圆形状，形如田径运动员使用的铁饼，加上平滑连接的短小外翼，共同组成一个巨大的升力体。旅客舱安排在铁饼形机体和翼身之间，舱内有多条通道，每排座位数为30至40人。这种布局的飞行器和飞翼式运输机异曲同工，将大大提高民航的运力，满足人们出行的需要。当然，这种铁饼式客机目前也只是一种设想，要成为现实尚待时日。

此外有人认为，水平起飞和水平着陆的空天飞机也将在21世纪诞生。这种既可在大气层中，也可在空间轨道上飞行的超高速飞机，从地面起飞、加速后，将以M25的高超音速入轨，并可在空间轨道上以M5至M25的高超音速飞行，然后再入大气层返回地面。这么高的速度，为了减小其阻力，一体化的翼身融合体设计不失为一种可行的选择。实际上，这种选择在美国的X－30、英国的“霍托尔”和德国的“桑格尔”等空天飞机方案上，已初见端倪。总之，一体化思想和技术将在更多的领域中得到应用和推广，这恐怕也是一种趋势。■