飞机气动特性的探索与发展（下）

新的气动领域

飞机发明后的前40年内，借助前面讲到的气动分析方法已足以自圆其说。然而，此后的飞行实践，迫使气动学家们修改(或完善)自己的理论。1941年11月4日，美国洛克希德公司研制的高速战斗机的原型机YP-38“闪电”在加州的格伦代尔上空试飞时，试飞员拉尔夫·弗登(Ralph Virden)没能把飞机从俯冲状态拉起来，飞机严重颤振，随即在空中解体，造成一等飞行事故。美国国家航空咨询委员会(NACA)立即召集有关气动专家，为这次事故紧急“会诊”。

原来，在此之前，飞机的气动理论是建立在“空气不可压缩”的假设基础上的。在飞行速度不大时，由飞机运动引起的空气密度变化不大，可以认为空气是不可压缩的。但当飞行速度提高到一定程度时，气动工作者就不能不面对空气压缩带来的后果。

对于高速气流的研究，并不是从高速飞行开始的。奥地利的物理学家马赫(Ernst March， 1838-1916)早在1887年(飞机发明前6年)，他在布拉格的卡尔洛瓦大学任教期间，就提出了超声学原理和马赫数(M数，即物体运动速度和当地音速之比)的概念。M<1为亚音速，M>1为超音速。当M<0.3时，空气的密度不发生变化，可以认为是不可压缩的。当M>0.7时，空气的压缩性表现明显，就不容忽视了。马赫教授的贡献使对气流特性的分析变得明朗。不过，当他改行研究哲学时，他的《经验批判论》又使人坠入迷雾。

音波是一种压力波。物体振动时，挤压周围的空气，使其密度、压力增加，并向外传播出去。音波的传播速度：在海平面、气温为摄氏15度时是1224公里/小时(340米/秒)；在平流层高度上、气温为摄氏负56度时是1066公里/小时(296米/秒)。飞机高速飞行时，对空气造成强烈的压缩，使其密度、压力急剧地增加，形成强压力波。当飞行速度超过音速时，压力波无法逆气流向前传播，在飞机前方堆积，形成一个稳定的高压、高密度的分界面，这就是激波。激波使飞机承受了巨大的压力差——也就是激波阻力(简称波阻，见下图)。当我们说飞机飞得比声音还快时，气动学者们想到的是飞机飞得比任何压力波的传播还要快。

飞行速度到达音速之前，在机翼凸起部位的气流提前达到音速，产生激波，使机翼的阻力系数增加，升力系数下降，压力中心(气动力作用力点)后移，飞机出现自动进入俯冲的趋向；机翼和尾翼在急剧变化的气动载荷作用下，可能出现剧烈的振动。这正是当年，飞行员们在向“音障”冲击时遇到的局面。

在高速气流中，有许多特性与低速气流大不相同。如在超音速流中，气流加速时，不是流管变细，而是流管变粗。这是因为在超音速流中，流速增加时，空气密度降低得较快，为了保持同流管内单位时间流过每一切面的空气质量不变，流管切面积必须增大的缘故。

适用于超音速飞机的翼型(机翼纵剖面)与低速飞机的翼型大相径庭。第一次世界大战期间，从德国哥廷根风洞中选出的典型低速翼型是：前缘圆钝，后缘尖锐，最大厚度在翼型的前1/3。高速翼型正好相反。它应该是前缘尖锐，最大厚度靠后的楔形薄翼型。俄国的航天理论奠基人齐奥尔科夫斯基(Konstantin Eduardovitch Tsiolkovsky， 1857-1935)在1892年设计的宇宙飞船方案上，采用的就是这种翼型。现代的理论和实践也证实了这种翼型的波阻较小，而且可以延迟机翼上表面激波的发生。中国空军航空博物馆收藏有一架意大利空军赠送我国的F-104型战斗机。这种M2的飞机的机翼前缘半径只有0.41毫米(两个剃须刀片的厚度)。

1935年，在罗马举行的第五届沃尔塔(Volta)高速飞行学术会议上，德国科学家阿道夫·布施曼(Adolf Busemann，1901-1986)提出了后掠机翼的概念。1945年，为美国NACA工作的气动学家罗伯特·琼斯(Robert T. Jones)也独立地提出了后掠机翼的理论。相对气流作用于前缘向后倾斜的机翼时，垂直于机翼前缘的有效速度较小，可以缓和空气压缩性的影响。朝鲜战争时期，参战的美制F-86和苏制米格-15等型战斗机都采用了后掠机翼。

1952年，惠特科姆通过风洞实验发现，按照波阻最小的旋成体的横截面积分布，调整飞行器沿纵轴的横截面积——如将机身与机翼叠加的部位修成细一些的蜂腰形，以保持近似于旋成体的横截面积分布，可以降低飞行器在跨音速飞行时的阻力。这就是现代高速飞机设计中不可忽略的面积律。1953年琼斯(O. Jones)提出了超音速面积律。1954年，美国的F-102A型飞机进行面积律修型后，顺利地超过音速(见下图)。

1967年，惠特科姆又提出了“超临界翼型”的实验成果。这种翼型和低速翼型(上表面弯曲，下表面平直)的特点是反其道而行之。它的上表面平直，下表面后缘向下弯曲。这种翼型可以推迟激波的产生，在高亚音速运输机上已被广泛采用。

激波的特性一旦被人们掌握，它的狰狞面目便不复存在，而且人们还要借助它去改善飞机的气动性能。1964年5月首飞成功的北美XB-70型鸭式超速战略轰炸机(M3.0)，它的6台发动机被设置于机翼下方，利用激波在机腹造成的高压区增加“压缩升力”。当时，有人还提出了“乘波飞行器”的设想——在机翼下方安置半拱形的机身，让机身引发的半马赫锥托着飞机飞行，从而提高超音速升阻比。有人甚至主张，在激波的高压区内喷注燃油，产生附加的推动。不过，这些设想未见诸实践。相反，美国和俄国的航天飞机都是将拱形机身设置在机翼上方的。这样，当以大迎角重入大气层时，有利于吸收热冲击。

当我们考虑到空气的可压缩性时，就不能不考虑空气的压力、温度和密度之间的关联和变化，这就需要有热力学的专家参加空气动力学的研究。事实上，气动热力学是正在发展中的一门边缘学科。它把空气动力学和热力学、化学动力学和电磁学结合成一个整体。设计M>5的高超音速飞行器或未来的空天飞行器都少不了这方面的知识。

等离子空气动力学的研究，已经在降低飞行阻力和提高飞机隐身性能方面取得成果。

我們在开始探讨飞行原理之前，首先提到的就是关于空气连续性的定律。但现在出现的激波却是一种空气非连续性的流动形式。而且当航天飞机在距地面数百公里的高度上飞行时，它的机翼遇到的也不是连续流动的空气，而是空气的分子、原子甚至是离子。2002年5月30日，中国科学院院士庄逢甘在谈到我国开展空天飞行器预研工作时说过：“这样一个空间飞行器牵涉到很多很多学科，它涉及力学、物理学、化学、数学、生物学、信息科学等，并孕育着新的学科生长点。

飞机该是什么样子

飞机要飞行，就要在产生升力的机翼之外，增加一些辅助的翼面，用以实现飞机的平衡、稳定和操纵。

1902年，莱特兄弟在他们的滑翔机前面加装了用于俯仰操纵的前升降舵(操纵面)。这是他们走向成功的关键一步。不过，他们虽然解决了飞机的俯仰操纵性，却忽略了飞机的俯仰安定性。

1907年，法国人加布里埃尔·瓦赞(Gabriel Voisin，1880-1973)为英国出生定居法国的享利·法尔曼(Hey Farman， 1874-1958)制造的一架“法尔曼”型飞机，在欧洲首次完成1公里圆圈飞行。这种飞机在机翼后方加装了哈格雷夫箱形双翼式水平安定面，又在机翼前方保留了前置升降舵(操纵面)。

同一年，另一位法国人罗贝尔·埃斯诺-佩尔特里(Robert Esnault-Peltrie)制造的R.E.P.型飞机，在机翼后方设置了兼有安定面和操纵面功能的全动式水平尾翼。这种飞机采用悬臂式机翼、全金属结构、驾驶杆式操纵系统、星形气冷式发动机和小车式起落架。它体现的设计思想，比同辈飞机先进约半个世纪。

升力面(机翼)、安定面和操纵面的配置方式被称为飞机的气动布局。俯仰操纵面放在机翼前方的叫作鸭式(或前翼式)布局；俯仰操纵面和安定面放在机翼后方的叫作后尾式布局；俯仰操纵面和安定面分置机翼前、后方的叫作三翼面布局；机翼前后没有附加翼面的叫无尾式(或全翼式)布局。

从飞机发明初期千奇百怪的飞机外形中，选择出现代飞机的常规气动布局——后尾式，是设计思想上的一个飞跃。飞机的操纵力矩实际上就是为了克服它本身的安定力矩的，二者大小相等。在机翼后方加装由俯仰安定面和升降舵组合而成的水平尾翼，可以同时获得飞机的安定性和操纵性，给飞机设计带来便利。

1967年2月，瑞典萨伯公司利用近距耦合鸭翼的有利干扰，研制成功的萨伯-37“雷”型短距起降超音速战斗机首次试飞。萨伯公司对采用双三角翼布局的萨伯-35“龙”型飞机进行改造的过程中，发现鸭式前翼的脱体涡可以显著地延迟全机失速和提高飞机的可用升力。萨伯-37的成功，使世人对鸭式飞机刮目相看。当时，各国提出的鸭式布局高机动战斗机方案超过100多种。鸭式布局的前翼在飞机重心之前，是以正升力和主机翼的升力配平的，不像后尾式那样，在尾翼上要产生负升力来配平，因而抵销部分全机升力。但对于有固有安定性(没有人工增稳)的飞机来说，以鸭翼配平时，它的力臂要比以后尾式配平时短了两倍的静安定度(焦点至重心的距离)的长度。采用鸭式布局就意味着放弃在主机翼上安装后缘襟翼的可能性，因为不可能配平。所以同一时期，研制的第三代战斗机，如美国的F-15、F-16、F/A-18，前苏联研制的苏-27和米格-29等宁愿采用后尾式布局。利用边条翼可以产生同样的增升效果。

此后，电传操纵系统和放宽静安定度技术已经成熟。鸭式布局的配平困难已经可以解决。采用鸭式布局除增升的目的之外，还有改善超机动飞机时的操纵性、实现直接力控制和与推力矢量喷管配合使用等潜在优势。它们是新一代超音速战斗机的首选方案，如俄罗斯的1.44、欧洲合作的EF2000、瑞典的JAS.39和法国的“阵风”等。

还有一种飞机气动布局叫作串翼式布局，它是由两幅面积相当的机翼，分置飞机重心前后，抬着飞机飞的。20世纪30年代，人们早已懂得增大飞机的展弦比，可以提高机翼的升阻比的道理。但增大翼展需要加强翼梁来支撑，飞机结构重量随之增加。为了避免翼展过长，把机翼分散成为前、后两幅机翼的想法就自然产生了。美国人沃伦(Wallen)和扬格(Younger)设计了一架外形很奇特的飞机。他们让一幅后掠的前翼和一幅前掠的后翼，在翼尖处连接起来，构成一个菱形。这样的布局，后翼处在前翼的下洗气流当中，升力下降很多，而且诱导阻力也较大，所以全机的升阻比并不大。但它有一个优点，正因为前翼对后翼的下洗，使后翼的有效迎角减小，所以大迎角状态总是前翼先失速(气流分离)，造成一个低头矩，使飞机恢复到较小的迎角，避免了全机失速的发生。当时把这种机翼布局称为无失速机翼。

20世纪70年代运输机要降低结构重量，战斗机要提高机动性，出于不同的目的，设计部门又想到了当年 的无失速机翼。现代的无失速机翼叫做连接机翼，它们不是在翼尖处互相连接的，而是半翼展处相互连接。适当选择连接部位，可以使升阻比提高到30(一般运输机的2倍)。

如今，计算空气动力学的发展，已经可以在计算机里求出任一在空气中运动的物体外形的压力分布，甚至选择出最佳的飞行器的外形设计。1987年2月22日首飞的空中客车A320型飞机是世界上第一种不在绘图板上，而是在计算机的荧光屏上确定外形的客机。1994年6月12日首次试飞的波音777型远程客机是波音公司的第一种“无图纸”客机，它的全部设计工作都是在计算机上进行的。

即使如此，在飞机设计中仍少不了设计师的奇思妙想。多少异想天开的飞行器等待着人们去创造!

新的飞行方式

迄今，飞机在垂直面上的机动飞行是这样进行的：首先飞行员拉(或推)杆，使升降舵偏转，产生操纵力矩，克服飞机的迎角安定力矩，改变机翼迎角，机翼升力发生变化(增大或减小)，飞机开始在垂直面上机动(拉起或俯冲)。这样的过程带来运动的迟滞性。超机动战斗机为了提高飞机的敏捷性，大型运输机为了克服惯性，都希望飞机不必改变迎角，而能直接控制机翼的升力变化，这就是直接升力的概念。电传操纵系统和推力矢量控制技术的发展，为实现直接升力创造了有利的条件。如果选择一个适于实现直接升力的飞机外形，那就应该首推“飞碟”(或“飞球”)，因为它在垂直上升过程中，相对于圆心的各个方向都是对称的，没有复杂的气动力变化，只要依靠改变推力矢量就可以实现飞机直接升降和保持横侧平衡。

纳粹德国就曾经研究过“飞碟”。从1952年春开始，加拿大的阿弗罗公司按照美国空军的要求，认真地设计过“飞碟”(阿弗罗飞车)，并进行过试飞。由于动力和气动上的种种难点，终于在1961年停止研制。

1960年，美国空军曾邀请新闻界参观“飞碟”的验证机，它超凡脱俗的外表，激发了在场人员的灵感，从此演绎出有关UFO的许多神话。至今，有些人还坚信，一切不明飞行物的出现，都是外星人的造访。

现在的技术条件，已经有可能解决当年“阿弗罗飞车”曾经遇到的各种难点。

从1998年外刊透露的信息中得知：在国外一些极端机密的科研机构里，正在研制名副其实的“飞碟”。美国纽约的温斯勒工学院提出的一种空天飞机方案就是真正的“飞碟”。这种像凸透镜片形状的飞行器，当它以M25的高超音速飞行时，它的圆心伸出一个细长的等离子锥管，用来激发等离子体和产生斜激波，使“飞碟”躲在激波锥后方稀薄的空气区里，承受的阻力只相当于M3时的情况。阻力如此大量的消逝，260年前，阿朗贝尔的梦境真地出现了吗?

下面要说的是飞机如何在水平面内做机动飞行：飞行员压杆，使机翼的副翼偏转，产生左右机翼升力差，造成飞机倾斜，机翼升力的水平分力起向心力作用，促使飞机转变；待飞行路线弯曲后，飞行员蹬舵，让飞机的方向舵偏转，产生侧力，使机头转向，消除飞机的侧滑角。这种机动飞行叫盘旋。

为了缩小盘旋半径和提高盘旋速率，必须增大飞机的倾斜度(坡变)和机翼的迎角。飞机的水平盘旋坡度不能超过90度，迎角不能超过失速界限(一般不超过30度迎角)，飞机的盘旋过载也不能超过飞行员的承受能力。目前，机动性最好的战斗机，做360度的盘旋也要有将近20秒的时间。

如果飞机能不倾斜、不改变航向，在水平面内侧向移动(像螃蟹横着爬行一样)，就可以避开飞机气动性能上的上述极限，而且这样的机动飞行动作有重要的战术价值。这样的机动飞行叫做直接侧力技术。美国曾在F-16飞机上做过直接侧力的试验飞行。飞机侧滑时，飞行员被甩向座舱的一侧，搞得他精疲力尽竭，滋味很难受。当然，这是可以解决的问题，如将飞行员的座椅设计成可以左右倾斜的。

说到直接侧力，又使人想起一种奇特的飞机布局——环翼飞机。1909年，法国人吉沃当(Givaudan)造了一架串翼式飞机。与众不同的是这架飞机的前、后翼都是环形的。这是首次出现的环翼式飞机设计。20世纪50年代，法国国营航空发动机研究制造公司(SNECMA)推出了环翼式垂直起降飞机方案。这种飞机的外形像一个无底的水桶，驾驶舱和动力装置设在水桶的中央。这样的飞机有许多突出的优点：翼展小、重量轻和抗颤振性强。更为出色的是它的环翼任何一侧都能产生相等的侧力(即水平面上的升力)，所以飞机不必倾斜(也不存在倾斜)就可以转弯。它实现直接侧力也比普通飞机容易得多，因为环翼产生的侧力总比机身产生侧力要大和方便。

C450 “环翼飞机”研究机于1959年5月5日完成首次自由飞，但在当年7月25日的第9次试飞中失控坠毁，试验因而中断。如今，可以借助主动控制技术解决环翼飞机横侧不安定的问题。如果再配合推力矢量技术，环翼飞机可以在水平面内迅速改变航向。作为超机动战斗机使用时，它将有出色的机头指向能力。

20世纪80年代，由于能源危机和财政困难，迫使有关各国从不同角度探寻经济性更好的飞机。环翼机的结构重量轻、有效载荷大等优点重新受到重视。美国洛克希德公司提出了一种环翼式客机方案，正在进行论证。

其实，前面提到的“飞碟”式飞机在这方面更是身手不凡。只要给它装上可以转向的发动机喷管，它就可以迅速改变飞行方向，而不会出现侧滑效应，因为相对于它的任一直径都是对称的。飞行员稳坐在它的圆心上，闪、辗、腾、堕，随心所欲，该是多么惬意呀!

还是马格努斯效应

1978年，在加拿大，有一个叫范·杜森(Van Dusen)的人，设计了一种马格努斯效应飞行器。他用高强度弹性材料凯夫拉(芳纶纤维)做成一个大球体，里面充满氦气。一根水平轴，通过球体的两极。轴的两端分别装有发动机。巡航状态时，发动机提供推力并带动球体旋转，产生马格努斯效应。起飞时，发动机转为垂直姿态，提供附加升力。在球体下面有一吊舱悬挂在球体的两轴上。飞行器取名为马格努斯LTA。1981年10月第一架无线电遥控模型试飞成功。目前已经成立了一家马格努斯航宇公司，准备生产能载重55吨的乘人飞行器。

正当范·杜森在地球的那一面构思“马格努斯飞球”的同时，我国的一位民航飞行教员也在思索一种新的飞行器的概念。他认为：只要在机身外表，顺着机身纵轴方向，安装几幅翼片，让它们围绕着机身旋转，就可以产生升力，维持飞机在空中飞行。

2002年10月，在我国珠海第四届国际航展上，张斗三展出了他自制的扑转翼飞机。这位倔强的发明家宁愿倾家荡产，也要把事情弄个明白。

事隔不久，2002年11月11日的美国《新闻周刊》上，报道了帕特里克·皮布尔斯发明的“扇翼飞机”(Fan Wing)。他的飞机有点像联合收割机。由发动机带动狭长的叶片，推动空气向机翼的上方和后方流动，既产生升力又产生推力。

上述几种创新的飞机设计方案，有一个共同特点是：让机翼转动起来，带动空气形成环流，产生升力(或推力)。与直升机的旋翼不同，它们的翼片是在垂直面内旋转的，而不是在水平面的旋转。

20世纪30年代，在美国有人造了两架试验机。用转动的圆筒代替常规的机翼。像弗莱特纳船“帆”那样借助马格努斯效应产生升力。在当时的技术条件下，它们的结构都很复杂，而且很难表现出优越的性能。现在看来，这些圆筒机翼也不一定转动。只要在它的上面，沿展向开一些缝隙，让射流从里面喷出，由于附壁效应(Coandaeffect， 科安达效应)，射流附在筒壁上，并带动空气形成围绕圆筒环流，同样也会产生升力。

1968年，美国大卫·泰勒海军舰艇研究与发展中心提出了环量控制机翼概念。他们在机翼圆形的后缘，切向吹出喷流，得到了普通机翼3倍的升力系数。这种升力增益不是来自喷流的反作用，而是机翼环量的增加。在这里，机翼环量的含义是：围绕机翼的气流的切向速度分量的平均值与气流周长的乘积。1979年用A-6型飞机改装成的验证机完成了试飞。效果比预测的还要好，配平升力系数达到3.7。

目前已经投入使用的无尾桨式直升机，就是在尾梁上开一纵向缝隙，从中喷出射流，诱导环流，产生侧力，借以克服旋翼的反作用力矩。如果把这样的尾梁扩大成一个机身，并让它横着在空中前进(以侧面为前缘)，从它上面的缝隙吹出喷流，既可以产生升力，又可以提供推力。这样一支干净利落的雪茄状飞行器，除了容纳装载的机身之外，别无多余的气动部件。

100年来，无数飞机设计师，在追求摒除机身和尾翼，只保留机翼的完美境界。而飞机的发展逻辑，却很可能促使机翼本身蜕化。在新一代飞机的设计中，机翼与机身的融合，气动与动力的综合，已经是可以肯定的趋势。

爱丽丝的奇境

1958年，世界上第一块集成电路的诞生，标志着微电子技术的进步。这一技术进步为发展重量轻、体积小而且效能高的无人驾驶飞机，创造了有利的条件。20世纪90年代兴起的纳米技术，又为研制微型无人驾驶飞机，提供了可能性。当人们开始设计小如昆虫的无人驾驶飞机时，发现它们不能是大飞机的缩小，因为它们将处于我们非常陌生的气动环境里。早在120年前，英国的物理学家兼工程师奥斯本·雷诺(Osborne Reynolds，1842-1912)，就知道了其中的秘密。

雷诺发现流体的运动形态有两种类型，即层流和湍流(或紊流)。在层流中，流体微团互不掺混，像梳光的头发一样平顺。而在湍流中，流体微团做不规则运动，互相掺混，有如烟囱中吐出的滚滚浓烟。物体在不同流型的流体中运动，所产生的流体动力自然也不同。

1883年，雷诺提出了判别层流与湍流的公式，即VLρ/μ。式中的V为流体流速；L为有代表性的尺度(对于飞机，可取翼展或翼弦的长度)；μ是流体的粘性力；ρ是流体的密度。这一比值小于2300时，出现层流；大于约3000时，出现湍流。上述比值在1908年被命名为雷诺数，以Re表示。

鸟类或昆虫的飞行处于极小的雷诺数条件下，它们对飞行的感受和飞机大不相同。打个比方：当你赤脚走在沙滩上时，该是多么轻松、安逸。但如果你像《爱丽丝漫游奇境记》中吃了魔法蘑菇的小女孩一样，体形缩小到一只跳蚤那么大时，微细的沙粒就变成了林立的巨石，你将举步维艰。由此看来，Re数降低时，流体的粘性力的影响也就显得严重起来。

现在可以明白：原来昆虫在飞行时，对空气的感觉和我们在油里“游泳”时的感觉一样。进而我们又会悟到：昆虫为什么不能滑翔，而只是急速地拍打翅翼(频率为每秒几十甚至几百次)，造成许多旋涡，让旋涡的吸力把它们带向任意方向。研究表明：昆虫由于“挥拍运动”所造成的脱体涡，可以提供比普通飞机机翼大得多的升阻比。

半个世纪前，飞机气动工作者追求的目标是在机翼表面保持层流附面层。因为层流附面层的磨擦阻力要比湍流附面层的磨擦阻力小得多。为此想出了种种吹、吸除附面层的措施。1953年，冯·卡门在纪念飞机发明50周年时说过：“通过控制附面层，将使未来设计的飞机比现在的阻力要小得多。如果成功的话，那就是空气动力学的巨大胜利”。

20世纪70年代，利用鸭翼和边条的旋涡改善飞机低速特性的成功，促使人们重视对于湍流的研究。脱体涡的搅拌作用，给附面层内注入了动能，抑制了严重的气流分离，使机翼的失速迎角大大提高，飞机的可用升力几乎成倍地增加，阻力也相对地降低。30年前，就有人开始寻求主动控制旋涡的技术，如在机翼的前缘展向吹气；在机翼的后缘用气泵吸气；在机翼的两端同时抽气或设计各种形式的涡襟翼等。

可以预料，今后的飞机会通过翼面振动、蒙皮鼓动、吸气或吹气等手段来控制气流的分离，从而显著地改善飞机的性能。正在发展的智能化蒙皮技术，在这方面可能被派上用场。

人类从学习鸟类开始，发明了飞机；而今又闯入了有4亿年历史的昆虫飞行的神秘王国。

责任编辑：思 空 ■

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