变形的翅膀

飞机的机翼作为提供升力的基础，必须在气动设计过程中全面考虑。理论上，机翼面积大可增加升力和载荷，面积小则可以减少阻力；后掠角大可增加临界马赫数并减阻，小则增加升力系数；展弦比大可以增加升阻比，小则可以提高飞行速度。从这几个主要方面的对比可以看出，高升力与高速度存在多方面的矛盾。如何解决这些矛盾，始终是困扰着飞机设计师的难题。各国航空技术人员在航空气动发展历史上，也投入了很大力量来解决机翼气动的矛盾。

早期高速战斗机面对的难题

飞机实用之后很快赶上了第一次世界大战，大战期间飞机的作用得到了全面体现，航空兵也开始由从属地位逐步独立。早期战斗机采用的活塞发动机功率有限，飞机的起飞场地条件也不好，高升力可以降低对起飞场地的要求。同时，早期空战战术简单，主要采用单机盘旋格斗方式，也需要飞机具备很高的升力性能。早期战斗机缺乏气动增升的技术手段，升力主要取决于机翼面积，所以双翼甚至三翼机在一战中广泛应用，双翼机在二战前仍然是各国装备的主要战斗机。单翼机虽然有飞行速度快的优势，却存在起飞距离长和盘旋半径大的问题。苏联同时研制双翼的伊一15和单翼的伊一16，就是在无法兼顾盘旋和速度的情况下，意图用高速度与高机动机型配合作战，以适应不同条件。

单翼战斗机在30年代中期开始逐步替代双翼机，但在全金属和高速度战斗机得到广泛认同的同时，单翼机相对当时同规格的双翼机，仍然存在翼面积小导致起飞距离过长，及动力不足和高翼载影响盘旋性能的弱点。活塞螺旋桨战斗机虽然并不需要混凝土跑道，但二战前各国的对空侦察和情报能力都不强，供战斗机使用的前线机场面对着严重的空袭威胁，跑道则是对机场空袭时最先被打击的目标。对空预警能力不足的缺陷，使战斗机很难有效拦截轰炸机，这也是30年代曾经出现的“战斗机无用论”的主因。跑道如果被破坏，很多单翼机将失去起飞必须的跑道长度，双翼机则能利用更短和道面质量更低的跑道起飞，获得单翼机理论上难以比拟的战场生存条件。单翼战斗机在30年代后期开始取代双翼机，但各国仍很重视战斗机短距起飞能力。能结合单翼机的速度和双翼机起飞条件自然最理想，但常规设计手段无法兼顾两种功能，促使设计师选择非常规措施来满足需要。

战争逼出来的单/双混合翼方案

英国在二战早期受到德国空军的全面攻击，英国空军处于劣势，没有足够的把握保护航空基地。为了给单翼战斗机提供更短距离起飞的升力条件，英国航空工业为单翼战斗机增加了可抛弃上层机翼，起飞时靠两副机翼之间的金属支架固定上翼，获得双翼机的高升力，起飞后解锁并抛弃上层机翼，恢复单翼战斗机的低阻力和高速性能。这种设计难度不大，也不需对战斗机结构进行大改。但起飞后抛投会破坏可抛翼结构，战时很难承受一次性机翼的成本消耗，机翼的回收和维修也要占用大量人力。

事实证明，可抛翼设想对高升力和高速度要求两头不讨好。英国空军为战斗机增加可抛机翼的设想，是在空中力量相对较弱的不列颠空战时期，力图维持战斗机正常作战使用的应急措施。德国空军在不列颠空战过程中逐步失去了对英军机场的压制实力，之后更是开始采用防御性战略，英国本土航空基地不再受直接威胁，可抛翼就失去了价值。

苏联研究可变翼技术也得到了比较好的效果。苏联30年代的可变面积机翼研究选择了伸缩和折叠的不同方向，在30年代开发了很多类似项目。伸缩翼研究机的机翼结构较简单，1931年的MAK-10采用套筒单层伸缩结构，1937年的LTG-7则在内翼安装多层木制翼型套筒，由钢索牵引实现套筒翼伸缩控制。伸缩翼结构较简单，平衡性也较好，但结构强度受限很大，无法在当时的高机动飞机上应用。折叠翼则以HC-1/2（IS-1/2）为代表，利用单/双翼混合的折叠方式，靠固定上单翼保证飞行稳定性，由折叠的下单翼实现翼面积的变化，重点用于高机动性要求的战斗机开发。

固定翼与Z形折叠翼的组合

苏联在30年代开始认识到单翼机的速度优势。苏联当时战斗机结构材料落后，缺乏保障全金属飞机大规模生产的铝材供应条件，航空动力和工艺水平也不高，因此采用了简化结构和减少机载设备的措施，尽可能降低翼载荷以改善飞行性能。对比同时期航空强国，美国和德国战斗机的高速性地位要超过对低翼载荷的要求。英国则靠动力技术的优势侧重轻巧灵活，日本战斗机偏好大翼面以追求极至的低翼载荷高盘旋性能。苏联则选择了德、英的中间道路。

苏联空军在30年代同时装备了双翼的伊-15和单翼的伊-16。这两个型号采用类似的机体和相同的动力，差异只是不同的起落架结构和机翼布局。苏联空军意图用伊-16争夺速度优势，用盘旋性能好的伊-15执行格斗空战。选择相似的机体和同样动力是为了标准化，选择不同机翼布局则是满足不同战术要求。设计师选择这种设计还有在当时政治形势下避免出错的意图，苏联空军接受这两个型号也是因为难以取舍。

伊-15/16在30年代后期达到了世界战斗机的较先进水平，无论在西班牙还是在中国的作战中，伊-15/16都具备与德国和日本战斗机对抗的能力。伊-15的双翼布局和固定起落架对速度影响很大，伊-16采用先进的可收放起落架和悬臂式下单翼，盘旋性能略低但速度性能比伊-15好很多。如果伊-15/16配合作战，必须进行复杂的战术组织和编队协调，才能使两个型号同时到达战场，而当时的苏联空军完全不具备这种组织能力。严格说起来，在雷达和远程通信系统实用化之前，任何国家都难以做到这样的协同调度。苏联空军很快认识到单翼机靠高速和高爬升率采用一击脱离战术，在格斗空战中完全能与盘旋优势战斗机对抗，伊-16的地位很快超过伊-15，但伊-15起降距离短和盘旋性能好对当时的飞行员仍有吸引力。

增强战斗机起降能力的努力始终没停，除了铺砌长度更大和质量更高的跑道，还可以选择变弯度、加面积的机翼增升装置，也有人把脑筋放在了直接调整机翼面积上。苏联设计师很希望结合伊15/16的优势，但与在德国轰炸机炸弹下想起来的双翼“飓风”不同，苏联设计师在二战前进行的Z形可变翼ИC-1/2方案，技术更完善，控制也更有效。endprint

伸缩机翼的结构相对简单，但强度问题难以克服。以30年代的航空技术，改变战斗机翼面最直接的方式就是折叠，但有限的材料、结构设计水平和控制技术不可能做到飞行中折叠机翼。苏联设计师考虑变面积机翼方案时，设置了适应高速标准的固定翼，将增加的翼面用折叠方式实现，虽然付出了结构复杂性、阻力和重量的代价，却尽可能回避了强度和控制方面的问题。

苏联在1939年完成了第一个技术验证机ИC-1。它采用了伊-15的机体和动力，也采用了相似的双翼布局，但却改用了类似伊16的可收放起落架，下翼面与上翼面的尺寸差异也比伊15明显。HC-1的机身和机翼主结构应用了高强度钢管，除操纵面采用织物蒙布外，其它结构和蒙皮都采用了硬铝材料，并应用了先进的低阻力埋头铆钉，属于真正意义上的全金属半硬壳结构。ИC-1的单柱主起落架安装在下置翼的中段，低压轮胎外侧带有折叠的硬铝舱盖。ИC-1的驾驶舱在机身中段靠后位置，前方为发动机和燃料舱，采用900马力的M62活塞发动机，驱动直径2.8米的三叶螺旋桨，这些技术与伊16相似。ИC-1的上翼面采用正常结构，每边的机翼内侧各带2挺7.62毫米机枪，机翼内段下折后与机体连接，在飞行员前方留出供观察瞄准的目视通道，基本结构与伊-15的上置翼面并无差异。

ИC-1的下翼面结构是整个方案的亮点。飞机在地面滑跑起降时采用传统的双翼布局，拥有与伊-15相似的低翼载荷。起飞后飞行员操作驾驶舱内的联杆到收起位置，将主起落架水平收回到下翼面的舱体内（类似伊-16），之后再通过联杆控制下方机翼上的活动杆式机构，将翼根和下翼面起落架支点外侧位置同时反向折叠（折叠方式与近期出现的“飞行汽车”的折叠机翼接近），带机轮舱的内侧机翼上折后贴合到机身侧面凹陷内，外翼面则上抬收入上翼面下方的凹槽内。ИC-1下部翼面分两段收入机体和上翼预留空间后，飞机将成为采用上单翼布局的单翼高速战斗机。除了机翼安装位置有变化外，ИC-1的理论气动性能基本达到了伊16的标准。

ИC-1的可变翼是飞机整体结构的组成部分，比抛掉一副机翼的双翼“飓风”更合理。除了上单翼影响飞行员前向视野外，可变翼在气动设计上没什么毛病，但对结构设计却难以兼顾。ИC-1的下翼面拥有两个机翼转折机构，内翼位置还有起落架舱，不仅要在机身两侧预留机翼存放和固定的凹槽，上翼面内侧受力位置还要为容纳下翼留出凹陷，这会增加机翼的复杂性。如果不考虑轻合金全金属结构的重量贡献，仅ИC-1下置折叠翼和驱动系统的结构重量，就要比伊-16更大面积的固定单翼还高。同时，机身和机翼下表面留出的空间，会破坏气动性能和机翼的翼型连续性，尤其是上部机翼内侧下表面不连续对升力的影响，很大程度削弱了下部机翼的升力增量，实际升力与理论升力存在明显差距。иC-1的飞行速度虽然并不高，但折叠后的机翼受到工艺限制，很难与机体和翼面上预留凹槽紧密贴合，结构之间的空隙对气动性能有不利影响，空气从夹缝中流动也会产生振动和噪音，飞行速度越快气动干扰就越大。

ИC-1在1940年11月进行了成功试飞，但速度不如同标准单翼机，复杂结构导致的可靠性和重量问题很大，空战性能比不上大规模装备的伊16，起飞性能优势也不明显。ИC-1的下部机翼可改善起降性能，理论上也可在空战中提高盘旋性能。问题是，ИC-1的机翼驱动机构运动速度并不快，单程工作需要7到10秒，很难在机动空战飞行时使用，只能在进入战斗前固定选择单或双翼的结构。这种理论上可行却受限于控制和气动的局限，与米格23的可变后掠翼有相似之处，简单却未必有效。

ИC-1的机体比伊-15和伊-16略长，翼展8.6米（下翼展6.72米）与伊-16的8.9米接近，则是为了在单翼状态达到伊-16的速度性能。ИC-1空机重量为1400千克，比基本型伊-15几乎高了25%，比更坚固的伊-16也高很多，最大2300千克的起飞重量又削弱了本就不够的动力。ИC-1最大飞行时速453千米的指标远比伊-152（775马力M25V发动机）的370千米高，却没超过伊-16-10（1000马力M62发动机）的490千米速度性能；依靠双翼状态20.9米²的翼面积（比伊-15翼面积低约1米²），获得了与伊-15相似的115千米/小时着陆速度，比伊-16着陆速度低很多。但相对于采用钢管骨架、木材结构和帆布织物蒙布的伊-15/16，生产ИC-1必须用大量铝材控制重量，材料代价远超过性能收益，仅改善起降性能价值不大。ИC-1是在伊-15基础上进行气动和结构技术探索的产物。ИC-2作为ИC-1类似布局的改善性能验证机，采用了类似ИC-1的伊15战斗机机体，机翼也仅在ИC-1机翼布局基础上进行了细节修改，用功率1150马力的M88发动机替代了M62发动机，并通过改进机载武器强化了空战火力。

伊-15依据的是苏联30年代早期的航空技术，设计ИC-1时该机已落后。ИC-2与ИC-1的机体尺寸和结构都接近大规模生产的伊-15，ИC-2改进设计中虽然没有改变机身布局，却利用了30年代后期航空气动技术，放弃了ИC-1/伊-15采用的高阻力发动机罩，改用前端收拢，发动机后方带环形活页排气口的低阻力发动机罩。新的发动机罩和为机翼配平增加的机体长度，仅使全机长度由ИC-1的6.8米增加到了7.1米，仍然保持了机体标准化。ИC-2降低了机身阻力并改善了机体线形，部分改善了伊16广受诟病的操稳性能，综合飞行性能比14C-1有明显的提高。

ИC-1/2最大飞行速度与着陆速度比值为3.94，同时期活塞动力常规单翼机的这个比值在3左右。ИC-1/2具备很好的低速起降性能，可折叠双翼布局的理论性能也不差，但结构布局却限制了飞机只能采用上单翼，不利于螺旋桨动力战斗机的整体布局，尤其是机翼遮挡飞行员视线的缺陷最致命。苏联航空工业有限的铝材供应重点保证SB快速轰炸机这类高价值飞机的需要。当时的苏联空军将单发战斗机作为战斗消耗品，利用便宜简单的钢管骨架、木材和织物作为主要材料，很少用到供应量不易保证的铝合金材料。ИC-1/2的可变折叠翼受到结构和性能限制，机翼和机身必须大量应用低重量的铝合金，完全不适合苏联当时的条件。事实上，ИC-1在试飞前已被确认放弃，完成后续的ИC-2主要是作为技术探索。卫国战争开始后，大量无法马上形成生产的方案均被放弃，HC-2更不可能获得机会。endprint

ИC-I/2设计的目标是改善伊-15/16的飞行性能，针对的是当时苏联空军的主力战斗机装备。但在30年代后期的西班牙和中国战场，面对德、日新型全金属单翼战斗机时，伊-15、伊-16都缺乏足够的飞行性能。苏联航空工业在30年代后期确认了单翼战斗机的优势，开始设计达到先进水平的米格、雅克和拉格战斗机，伊16已在装备规划中被淘汰，不再改进和改型。ИC-2在1941年试飞中的最大平飞速度增加到510千米/小时，高速性比иC-1明显提高，但与同期完成的米格-3、雅克-1相比，ИC-2的性能尤其是高速性能存在差距。иC-2即使没有飞行性能问题，仅依托伊15机体的落后结构和高标准材料要求，就足以使其被苏联空军放弃。不过Z形折叠翼技术的潜力得到了验证。

变后掠和折叠变体

单翼机在二战前基本替代了速度性能不足的双翼机，喷气动力在50年代彻底取代活塞动力，条件优良的混凝土跑道成为战斗机的基础场地。喷气战斗机普遍采用利于高速的后掠翼，但机翼前缘后掠角增加却对升力有不利影响，必须大幅延长起飞跑道。在战斗机进入超音速阶段后，跑道的道面标准越来越高，长度也越来越长。西方和苏联在60年代初期已经认识到混凝土跑道面临的巨大威胁。为强化军用飞机的场地适应性，在短暂的投入垂直起飞技术研究后，曾被放弃的可变翼面方案再次被提出，以此发展出了可变后掠翼。

拥有起降时高升力和飞行时高速度的可变后掠翼（同时改变机翼面积），算是带附加翼的“飓风”和ИC-1/2的继承者。战斗机的发展证明，同样性能要求下的简单设计就意味着先进。喷气战斗机经过了垂直起飞设计和可变后掠翼热潮，最终仍回到了高推比和高升力气动的常规道路。最新的高速飞机项目很多都采用了升力体机身和折叠机翼，在起降的低速阶段伸展机翼提供附加气动升力，高速时将机翼收拢到机身内，完全依靠升力体机身提供升力。高速飞行器的收拢翼面设计，很可能将使变后掠翼技术在更高水平上得到恢复。

苏联ИC-1/2下置可动翼采用的Z形折叠方式，是适应中低速飞行器的措施。近年来的变体飞机热，是继承折叠翼思想的产物。国内展出过的折叠飞翼无人机及国外的飞行汽车等方案，可变面积的Z形折叠翼面与ИC-1/2下置翼异曲同工。Z形折叠翼作为亚音速变体飞机的翼面形式，技术难度不大。早期舰载机就用过折叠翼，但z形翼作为现代变体飞机的主翼，必须具备在空中折叠的结构强度，并要在中间翼折叠时保持内、外翼水平，结构强度要求远比在停机时折叠的舰载机高，保证变翼过程中的稳定性也很难。[编辑/旭日]endprint