飞机气动布局杂谈：水平尾翼到底放哪儿好？

飞机的气动布局，是决定飞机空气动力学性能的各部件布置方案。在飞机发展的进程中，为了追求不同的飞行性能，演化出了各式各样的气动布局。同时由于各种气动布局的固有特点，也为判断飞行性能提供了一定参考。实际上影响飞机气动性能的因素有很多，但作为产生空气动力的主要部件，飞机各翼面的特性和相互间的相对关系无疑最为关键。

最常见的就是常规布局，也有叫“正常布局”，典型的就是：机身在中间，主翼在两边，尾翼分三片，全都放后面。这种布局虽然出现得不是最早，但应用得却最多、范围也最广，也最大家所熟悉，可以说在所有机型上都有常规布局的身影，并且往往占据主导地位。

常规布局的机体，由机身、机翼、尾翼组成，尾翼又分为水平尾翼和垂尾尾翼。这些部件在外观上基本一目了然很好区分。这种布局从飞机发明不久就开始使用，并且始终占据主导地位。在常规布局上，机身主要起到承载重量、连接其他部件的作用，机翼产生升力，垂直尾翼提供方向安定性，水平尾翼提供俯仰安定性。在各个翼面的后面，还装有提供飞机操纵力矩的各种活动舵面。

常规布局飞机一般布置

安定性是飞机最为重要的特性之一，指的是飞机在飞行中，受到扰动导致姿态发生变化时，自行恢复原来飞行状态的能力，包含俯仰安定性、横向安定性和航向安定性，分别主要由平尾、机翼和垂尾产生。例如一阵突风，导致飞机机头偏向左侧，这时垂尾两面的气流状况随之发生改变，迎风一面阻力会增大，自然使得机头向右偏转，并回到原来的方向上，这就是垂尾产生的航向安定性的作用。如果一架飞机是不安定的，那么受到一点点气流就会越来越偏离原来的飞行状态，根本无法进行持续稳定的飞行，飞行员必须时刻保持对飞机的不断调整和修正，累死倒是事小，关键是速度稍大就根本来不及修正，分分钟机毁人亡。

常规布局很轻松就解决了这个问题，因而时至今日仍然是各种飞机的主流布局。事实上即便如此，飞机的安定性也需要在设计时就加以详细计算和大量风洞试验，甚至有时候在试飞中也可能会出现安定性不足（或过强、或不协调）等问题，需要对翼面和重心等进行调整，严重的甚至会把设计方案推倒重来。

后来慢慢在常规布局中有一些变化，多半是为了满足一些其他要求，常见的多垂尾就是一种。因为安定性的产生需要翼面有足够大的面积，如果航向安定性不足一般就要加大垂尾面积，但增加垂尾面积一般又要加大高度，而高度太高了对飞机的滚转操纵是不利的，同时也会给其他诸如结构、重心等等带来问题，因此一些有特定要求的飞机就采用了双垂尾方案——一片不够两片来凑，总高度也就降下来了。甚至有时候停放维护也会影响到垂尾数量，像E-2系列预警机因为要上航母，甚至设置了4片高度很低的垂尾，免得进航母机库麻烦，当然更主要的还是机背上的大圆盘导致上部气流对垂尾影响比较大，低垂尾可以减少一些影响。

米格-29和F/A-18E的双垂尾

E-2的四垂尾

全动平尾、差动平尾是另一个情况，这是因为随着飞机速度的提高，原来在平尾后面的那一小块升降舵，往往不能产生足够的空气动力去快速改变飞行状态，这对于一些强调机动性的飞机，如战斗机、攻击机等是很不利的，要么就加大升降舵，加大到一定程度，整个平尾都成了活动的升降舵，这就是全动平尾。考虑到副翼有时也不能产生足够的空气动力使飞机快速滚转，那就让平尾在左右同步偏转的同时，也能像副翼一样左右错开偏转，这就成了差动平尾，为的就是增加滚转力矩。这两种平尾在现代战斗机上几乎成了标准配置。

F/A-18E的平尾，可以看出是一个整体

翻滚的歼-16，注意平尾转动角度不同

还有一种情况是前缘襟翼、襟副翼和机动襟翼。前面提到了襟翼和副翼。襟翼是用于改变机翼翼型的，主要用于在不同速度下保持足够的升力，一般是在机翼后缘内侧靠近机身处，后来把机翼前缘也弄一块活动的，和后缘一起协调偏转，这样一来翼型改变的幅度更大，应用的速度范围更宽了，前面的就叫前缘襟翼。

“袅龙”的前缘襟翼

副翼其实叫滚转舵好像更合适，它主要是以差动形式使左右两边升力不等以提供滚转力矩，因此装在机翼外侧以加大力臂长度，从而以较小的面积获得较大的力矩。这两种翼面各占去一部分面积，同时还需要两套不同的传动和控制机构，后来考虑到襟翼一般只在起飞和降落时使用，而副翼主要在机动飞行中使用，起降阶段动作量并不大，因此就干脆把襟翼和副翼弄成一个整体，既加大了襟翼面积，又加大了副翼面积，这就成了襟副翼。机动襟翼主要也是应用在一些强调机动性的战斗机上，一般正常飞行时，飞机的襟翼是收起，和机翼贴在一起以减小飞行阻力，但战斗机在进行剧烈机动时，如果让襟翼也能偏转，就可以适应更多的飞行状态、进行更加剧烈的机动，这就是机动襟翼，机动襟翼一般是计算机自动控制的，除非是卡住了或者飞掉了，否则一般飞行员并不需要过多关注。

正在降落的F-18，可见襟副翼同步偏转

相对一般飞机而言，战斗机的使用条件最为严酷，对气动布局的要求也最高。所以很多“不常规”的布局都是从战斗机开始的（专门的技术验证机除外）。战斗机速度的提高导致产生了后掠翼，再进一步就成了三角翼，对三角翼来说，布置在机翼后缘的襟翼、副翼越来越向平尾靠拢。刚才说了平尾可以差动以补充滚转力矩，那为何不让副翼也能同步上下偏转以实现俯仰操纵呢？那不就可以代替平尾了吗？于是就有了无尾布局，所以无尾布局往往都和三角翼连在一起说。

当然这里所说的无尾布局一般是指的无平尾——垂尾还是有的。垂尾也没有的飞机一般是指飞翼布局，留到后面再说。无尾布局可以把三角翼后缘一直延伸到机身的最后面（也可以把机身缩短），在减轻重量、增大机翼结构强度、面积和内部空间等同时，还能进一步增大前缘后掠角，这对于提高飞行速度是很有帮助的，特别是早期发动机推力不大的时候，为了减小超音速飞行阻力可谓想尽了办法。最早采用无尾布局的其实是二战期间德国研制的Me163火箭动力战斗机，后来英国人在“火神”轰炸机的研制中也采用了这种布局，而让无尾三角翼布局发扬光大的，则是法国的“幻影”系列战斗机，从50年代的第一代“幻影”，一直到后来的“幻影”2000，除了中间有一个不太成功的“幻影”F1以外，全部采用的是无尾三角翼布局，但“幻影”的成功离不开中东战争这个舞台和以色列这个好伙伴，这就是另一个故事了。

“幻影”Ⅲ的无尾三角翼布局

无尾布局去掉了平尾，减轻了结构重量，获得了包括高速性在内的一系列好处，但当然不是万能。比如延长了起降距离，增加了配平阻力等等。与此同时，置于机尾部的平尾和方向舵，其实是利用“撬”的方法来实现对飞机的操纵，这从整体上来说相当于减小了整机升力，也就是平尾上产生的实际上是“负升力”。如果把平尾放到主机翼前面去，让它和主机翼一起“抬”着飞机，来实现对飞行的操纵，会不会更好呢？于是鸭式布局应运而生，放在前面的“平尾”也就被叫成了鸭翼。

其实一开始鸭翼是固定的，就是在机头附近放两块固定的小翼面，后来当技术越来越成熟了，才让鸭翼真正成为了飞机的控制部件，因为人们发现放在前面的小翼会在飞行时产生两道涡，这两道涡会流过主机翼，在满足一定条件时可以改善主机翼上表面的气流形态，主要取决于鸭翼与主机翼之间的前后和上下距离关系，由此形成了“耦合”的概念，也因此诞生了“近距耦合”和“远距耦合”两种鸭式布局，这两者各有千秋，像歼-10就采用了近距耦合，而欧洲“台风”则采用的是远距耦合，两者差别还是比较明显的。话说鸭式布局这个名字不知道谁给起的，其实鸭和雁也差不到哪里去，叫雁式多好听，还能编队飞行呢……

歼-10鸭翼距主机翼很近，属于近距耦合鸭式布局

“台风”的鸭翼距主机翼明显更远

飞行中的大雁

大雁，采用可变外形上单翼、无垂尾、翼身融合布局，后两点可收放踏板式起落架，上亿年前原型鸟首飞成功，发展到今天有多个改型，总产量不详。装一台生物燃料有机发动机，视觉+生物磁场导航系统，最大飞行速度约90千米/小时，最大飞行高度约2000米，个别改型可达10000米，最大单趟航程约400千米，擅长编队飞行……

但安定性实在是一个很神奇的东西，在较低速度情况下安定性比较好的飞机，一旦超过音速，安定性会有一个飞跃式的提高，这主要是因为焦点急剧后移导致，但这样一来，连飞行员想改变飞机状态都有难度，这个在俯仰方向上体现得更明显。后来有了“放宽静安定性”设计。就是在布局上，让飞机亚音速时处于不那么安定的状态，用计算机和电传操纵系统辅助操纵实现飞机稳定飞行，这样在两种速度时都能获得比较理想的状态。鸭式布局因为前面有一副小翼，在布局上焦点天生就相对靠前，因而更容易实现“放宽静安定性”，但这必须有大量的计算和试验形成技术积累。这个从图片上看不出来，所以就不放图了。

说完了平尾再回到垂尾，前面说了无尾布局其实是无平尾，把垂尾也去掉的飞机也有，并且现在越来越多。最典型的就是B-2隐身轰炸机，整架飞机几乎就只有一个连成一体的机翼，由于机翼前缘后掠，能提供一定的航向安定性，但主要是位于机翼后缘的几块可以上下开裂的调整片，通过调整片开裂形成的阻力提供航向安定性，通过控制左右调整片的开裂程度不同，形成阻力差代替方向舵的作用。

其实这调整片合在一起，左右两边差动偏转就成了副翼……

能去掉多余的，也有不嫌麻烦往上加的。这就成了三翼面布局——在常规布局的基础上再增加一对鸭翼，按说可以兼具常规布局和鸭式布局的优点，但目前可能是因为研究的不是很充分，所以应用的并不多，主要是苏-27系列中的几个改型。

苏-30MKI的三翼面

有时候还能听到一种说法叫“隐身布局”，这里主要指的是机翼机身外形针对雷达波反射情况进行了一些优化处理，可以将雷达入射波尽可能向其他方向散射出去，与空气动力的关系倒不是很大。

但隐身布局里有一个重要的方面就是翼身融合。早期飞机机翼和机身之间就是直接连接没有过渡，最多为了减小阻力进行简单的修形，而翼身融合，则机翼和机身之间有着完全平滑的过渡，甚至分不清哪是机翼哪是机身，这一方面减少了雷达反射，另一方面也使得机身表面气流更加顺滑，从而也改善了气动性能，对提高战斗机机动性，或是减少普通飞机的飞行阻力都有很大帮助，因而得到了越来越广泛的应用。

米格-21，机翼与机身之间完全没有过渡

翼身融合的F-16，机翼和机身之间顺滑多了

但这方面做到极致的还是飞翼布局，像B-2的机体下表面，起落架收上以后几乎没有突起，入射雷达波可以最大限度向着反方向反射出去，机身上表面也只有几个不明显的突起，分别作为驾驶舱和发动机进排气口，并且这些突起本身也十分平滑，所有设备包括炸弹都放在利用机翼厚度自然形成的机舱内，从而在布局上起到了很好的隐身作用。

B-2的下表面，没有多余突起

上表面也很平滑

除了上面这些主要布局形式以外，还有好多奇奇怪怪的气动布局，特别是一些小众的或有着特殊需求的飞机，像双机身、串列翼、环形翼、边条翼，等等，不一而足。也没有哪种布局可以称得上完美无缺，因此无论什么布局，能满足要求都是成功的布局。其实像发动机位置、进气口形状和位置等等都能影响到飞机的气动性能，因而也是飞机气动布局设计时所必须考虑的，特别是机翼的平面形状和翼型。

但看多了飞机，总感觉气动布局有时候还会与设计师或设计单位的个性和喜好分不开，一些比较有名的设计师都有自己的“标志性”产品，像英国的德·哈维兰，在喷气式飞机刚出来那会儿，一口气推出了“吸血鬼”、“毒液”、“海雌狐”三款双尾撑、翼根进气的战斗机；如果再仔细看看“猎人”、“蚊纳”、“鹞”等，也一定会发现这些飞机几乎一样的垂尾形状——这些都是霍克·西德利公司的产品。其实这样也挺好——把某个已经进行过完善试验的部件拿过来稍改改再用，既减少了全部重新设计的工作量，也避免了新设计的风险，何乐而不为呢？

双尾撑“三兄弟”

尖尾巴“三杰”

其实飞机的气动布局是一门很大的学问，一篇文章完全讲透有点难度，所以也只说了个大概，更何况笔者自己也还没完全整明白………