变后掠翼技术概览

龙　滨

变翼之缘起

所谓变后掠翼技术(variable-sweep wing)，就是指飞机在飞行过程中可以改变机翼后掠角度。这看似貌不惊人的变化对飞行性能有着巨大的应用潜力，这意味着飞机能够在飞行中改变自己的基本构型，可以根据环境的不同实现最优的飞行效能。

一般而言，后掠翼最适合高速飞行，而近似平直的机翼则更适合低速飞行——飞机的起降就属于这种情况。如果机翼的后掠角可以变化，那么飞行员就能根据飞机速度的不同要求选择合适的机翼后掠角。对于那些希望在

高速和低速条件下都有良好表现的飞机，特别是军用飞机，变后掠翼技术的确魅力不小。

但是，变后掠翼技术造成的复杂结构以及设计方面的问题部分地抵消了变后掠翼给飞行性能带来的优势。也正是因为这一原因，变后掠翼技术只是小范围应用在部分军用飞机上，没有在大范围开花结果。

早在1911年，法国人就开始了对变后掠翼技术的尝试。二战爆发前，德国设计师阿道夫·布希曼博士(AdolfBuseman)曾在罗马召开的一次国际学术会议上提出过一种实用性可动翼概念。按照他的理论，梅塞施密特公司在1942年开发了一种可变后掠翼试验机P.1101。该机的机翼不能在飞行中移动，但可以在地面上进行调整，以实现不同的后掠角。这种技术超前的飞机还没来得及量产，战争便已经结束。二战结束时，美国人缴获了P.1101并将其运回美国。通过在贝尔飞机公司进行的研究，美国人发现，P.1101装备的喷气发动机推力非常有限，这样的条件下采用变后掠翼技术是否能够有很好的效果还值得怀疑，但不管怎么说，德国人的设计给了美国人很好的启发。后来，贝尔飞机公司在研究成果的基础上开发了能够在飞行中改变机翼后掠角的X-5验证机。但在测试中人们发现了一个问题，即贝尔X-5的机翼在呈大后掠角时，其升力中心也会同时后移，导致飞机产生低头力矩，机头下俯。要解决这一问题，就需要给变后掠翼设计的飞机安装一套自动补偿系统。

二战后，英国工程师巴恩内斯·沃利斯(Bames Wallis)开始对变后掠翼技术进行实用性研究，以期能提高超声速飞行的经济性。这一项目最初在军方的“野鹅”计划中进行，后来军方又开展了“维克斯燕子”计划，希望能够让新研制的作战飞机在10小时内从欧洲到澳洲飞上一个来回。该计划提出的设计方案采用了翼身融合设计和无尾布局，沃利斯对几种模型进行了测试，还在上世纪50年代对一个6英尺(1英尺合0.3048米)大小的缩比模型进行了高达马赫数2的风洞测试，但后来政府的资助终止，这一项目也就没能进行下去。

后来美国人拿到了英国人的设计资料——当时美国希望继续展开研究，但最终还是没有什么进展。1949年，航空工程师贝尼斯(Baynes)申请了一项关于变后掠翼超声速战斗机的设计专利，但这一方案也没能投产。

1952年，美国在格鲁曼FIOF“美洲虎”战斗机上试验了变后掠翼技术，但XFIOF最终没能投入使用，该机的飞行性能实在太差，而且非常容易进入危险的螺旋。

老概念与新矛盾

变后掠翼技术再次复苏是在上世纪60年代初。当时军用作战飞机的重量越来越大，飞机全重与外形尺寸的立方成正比，而机翼面积却只能按平方增加，如此一来，飞机的翼载也就更大，但同时这些飞机还要具备良好的起降性能，设计人员必须找到合理的解决办法，于是人们再度想到了几度荒废的变后掠翼技术。美国在战术试验战斗机(TFX)计划中采用了变后掠翼技术，后来诞生了通用动力的F－111战斗轰炸机，这也是世界上第一种量产的变后掠翼战斗机。

说起来，在飞机出现后经过数十年的设计和制造过程，似乎应该出现的一个现象是：所有用途相同或相近的飞机都应该有着接近的外观，也就是说所有的战斗机应该有近似的模样，而旅客机也应如此。但事实上这种情况并未出现。在喷气时代出现五十多年之后，处于同一时代的喷气式战斗机外观也都具有很大的差异。造成这种差异的原因主要是技术水平的不同，此外文化的差异也是一个或多或少的因素。那些航空工程技术人员也和其他人一样，他们会有某种偏好，可能会热衷于某些设计理念，而忽视这种理念所带来的问题。这种现象在变后掠翼技术上体现得尤为突出。

后掠翼技术的采用已经向人们证明，这种设计方式可以让人们获得过去平直机翼无法获得的高速飞行性能。平直机翼在短距起降、低速飞行方面具有明显优势，同时燃油经济性较好，但后掠翼对于高速飞行特别是超声速飞行却无与伦比。遗憾的是，几乎所有的飞机都是设计师们经过权衡和折中之后的结果，有些飞机需要高速飞行，而其他一些飞机则要低速飞行。有些飞机必须具备较高的燃油经济性，而另一些飞机则需要不计成本地执行任务。设计师总是试图让飞机达到最优性能，以期胜任其使命。但有时飞机要求的性能和设计之间却会存在不可调和的矛盾。最明显的例子就是，军用作战飞机既要能超声速高速飞行，同时又要能以较低的速度进行起降——如果是在航空母舰上，这一要求就更为重要。

前苏联中央流体力学研究院(TsAGI)也试图解决飞机重量和起降性能之间的矛盾，也考虑过使用变后掠翼技术。TsAGI设计了两种独特的变后掠翼方案，两者的机冀旋转中心间距不同。苏联人发现，增大机翼旋转中心的间距，不仅能够降低机翼改变后掠角时带来的气动性方面的负面影响，还能增加机翼固定部分的面积，从而为起落架收放以及武器挂点提供足够的空间。这种变后掠翼设计方案可以很容易地“嫁接”到现有的机身设计方案上，事实上苏联人也正是这么做的。他们在原有的后掠翼苏－7战斗机基础上发展出了苏－17变后掠翼战斗机；在图－22“眼罩”轰炸机基础上发展出了图－22M“逆火”。当然，增加机翼旋转中心间距也会带来负面效应，那就是降低变后掠冀所带来的性能优势——当然这样也会减少变后掠翼设计的技术难度。后来，TsAGI也推出了新的窄旋转中心间距设计方案——和美国F－111类似——这一方案后来应用在上世纪60年代末首飞的米格－23“鞭挞者”和苏，24“击剑手”上，并于上世纪70年代初开始服役。

在放弃了TSR-2方案后，英国人也开始和法国人合作开发一种变后掠翼作战飞机(AFVG，意为英法合作变后掠翼飞机)，后来法国因故退出该项目，英国又同欧洲其他几国一起合作，最终开发出“狂风”变后掠翼战斗机——一种类似于F－111但外形稍小的遮断战斗／截击机。与此同时，美国海军也打算用格鲁曼F－14“雄猫”取代早前下马的舰载截击机F-111B。“雄猫”同样采用变后掠翼

技术，以兼顾航母甲板起降要求以及高速截击作战的需要。虽然作为舰载截击机的“雄猫”在设计之初并未把机动性作为重点设计目标，但最终量产的“雄猫”却还是相当敏捷——尽管它的发动机推力并不算十分出色。“雄猫”的机动性大大超过了F-111、“狂风”以及苏联几乎所有的变后掠冀战斗机，这一切都应该归功于“雄猫”更低的有效翼载(机身良好的气动设计还提供了额外的升力)，以及由计算机自动控制的变后掠方式。不仅是战斗机，变后掠翼设计思想还蔓延到了大型作战飞机。洛克韦尔公司在先进有人驾驶战略轰炸机项目(AMSB)上也采用了变后掠翼，并最终发展成B－1“枪骑兵”。美国人希望如此设计能让“枪骑兵”兼具良好的巡航经济性和超声速低空突防能力(当然这个“结合”实际的效果并不够理想)。继“枪骑兵”之后，苏联也开发出了一种大型变后掠翼战略轰炸机——图波列夫图－160“海盗旗”，该机于1980年首飞，也是最后一种变后掠翼军用飞机。

鱼与熊掌的逻辑

民用飞机也曾考虑过变后掠翼设计，当年波音公司在参加美国联邦航空局(FAA)关于超声速运输机2707研究项目时，就曾采用过变后掠翼设计。但在设计过程中，技术人员发现变后掠翼结构重量太大，而其占用的空间也会让载荷空间变得捉襟见肘，这些都是对经济性要求颇高的民用运输机所无法接受的，最终这一设计方案被放弃，改为更普通的三角翼布局。

变后掠翼技术给飞机带来不少优势，诸如缩短了起飞距离，增加了载荷能力，使得作战飞机更适合进行低空高速突防行动，但同时也带来了一些并不轻松的问题，比如造成了重量的增加和结构的复杂性。变后掠翼飞机在后掠角逐渐增至最大的过程中，飞机气动焦点的后移会给飞机带来不良影响，这要求采取必要的补偿措施。F－14A的翼套小翼以及B－1B机首的小翼，其目的就是使气动焦点前移，改善飞机的俯仰操纵性。在最大后掠角状态下，飞机的后缘襟副翼通常无法使用，这就要求采用扰流板辅助横向操纵，平尾也应为差动式全动平尾，以帮助在大后掠角状态下控制飞机。此外，大后掠角时。靠近翼根部分的机翼后缘要收入机体，这又带来了一个密封的问题。变后掠翼飞机必须采取有效措施(如F-14就是利用气囊)，保证机体前后运动时机体的密封性，以便有效降低阻力。密封问题是解决了，飞机的结构却变得相当复杂。

上世纪70年代，以色列空军派出代表团曾考察美国海军的F－14和空军的F－15，准备从中选取一种作为以色列国防军的标准装备。据说，当时以色列飞行员曾绕着两种飞机观看，仔细地计算它们各自襟翼、副翼、前缘缝翼以及减速板等操纵面的数目。他们发现F-14的操纵面比F-15多不少，据此认为“雄猫”的保养维护成本和难度都要超过F-15“鹰”。最终以色列空军没有选择“雄猫”，胜出的是“鹰”。值得揣摩的是，作为飞机上最大的活动部件之一的变后掠翼，在带给飞机性能优势的同时也把许多麻烦一并捎来。

尽管利弊总相随，变后掠翼技术还是在一小段时间内繁盛过，从上世纪60到70年代，大约有不少于6种飞机先后采用了这种设计，总产量达数千架。除了苏联的苏-17、米格-23／27、苏-24、图-22M等，欧洲联合成立的帕那维亚公司则开发了变后掠翼的“台风”，该机还发展出对地攻击型和截击型。设计师们甚至把变后掠翼技术运用到相当巨大的轰炸机上。北美罗克韦尔公司开发了变后掠翼战略轰炸机B-IA／B；而苏联图波列夫设计局则开发了变后掠翼的图-22M“逆火”轰炸机以及图-160“海盗旗”战略轰炸机。

20世纪80年代起，繁盛一时的变后掠翼技术似乎突然死亡了，此后开发的先进主力作战飞机再也没有采用过这种设计——当然人们也在研究让机翼以其他的方式在飞行中进行变化。变后掠翼技术隐退的原因并不简单，但最为主要的原因是，用于支撑和容纳变后掠翼机构的翼盒部件过于复杂和沉重。这不仅增加了维护难度，还降低了燃油效率。在服役初期，F-111就出了不少问题，作为机翼转动部分支点的翼盒部件经常出现裂纹。

当一架可变后掠翼飞机把机翼向前转动，以最小后掠角飞行以期提高燃油经济性时，它怎么也比不过采用平直固定翼的飞机。反之，当它以最大后掠角高速飞行，也无法同固定后掠翼飞机相媲美，例如美国B-1B“枪骑兵”。该机难以达到设计最大航程，而不得不进行更多的空中加油来增加奔袭距离。“枪骑兵”还难以实现令人满意的高速突防飞行，这一现象颇像早些年的轮履混合车辆。本来人们希望综合大后掠翼和平直翼两种机翼的优势，结果发现这种做法所付出的代价也不小。经过长期探索和实践后，飞机设计师们如今普遍认为，变后掠翼的代价和收效几乎等同，因此在设计中也就逐步摒弃了这种方案。上世纪70年代，出现了放宽静稳定度飞控系统，这种崭新的技术让固定翼飞机的许多不足得到了弥补，也正是因为如此，自从苏联图-160战略轰炸机之后，各国再也没有制造过变后掠翼飞机。

责任编辑兆然