傅前哨

在美國軍方科研機構(gòu)和飛機生產(chǎn)廠商的推動下，目前，一個“無尾軍用飛機”的研究熱潮正在悄然興起。其最終的結(jié)果，有可能導致一些新型的有人或無人駕駛戰(zhàn)斗機的誕生，也可能會使現(xiàn)役戰(zhàn)斗機“削去”垂直尾翼。而未來生產(chǎn)的轟炸機、運輸機、加油機、預(yù)警機、垂直起降飛機、無人駕駛偵察機等也都可能成為“無尾”的。

無尾機·定義

尾翼是安裝在飛機后部的、起穩(wěn)定和操縱作用的裝置。它一般分為垂直尾翼(簡稱垂尾或立尾)和水平尾翼(簡稱平尾)兩大類。水平尾翼一般由固定的水平安定面和能夠上下偏轉(zhuǎn)的升降舵組成，它在飛機上主要起縱向安定和俯仰操縱的作用(也有個別飛機采用全動式水平尾翼)。垂直尾翼一般由固定的垂直安定面和能夠左右偏轉(zhuǎn)的方向舵組成(也有個別飛機采用全動式垂直尾翼)。它在飛機上主要起航向安定和方向操縱的作用。

在歷史上，人們習慣于把沒有水平尾翼的飛機稱作無尾飛機，這種飛機的俯仰操縱、滾轉(zhuǎn)操縱等主要由機翼后緣的活動翼面或發(fā)動機的推力矢量噴管來控制。對于無尾飛機的名稱，多數(shù)讀者都不陌生。早在1924年，蘇聯(lián)就曾試飛過切拉諾夫斯基設(shè)計的無尾試驗機。1943年，德國人研制的世界上最早的火箭噴氣式戰(zhàn)斗機Me 163B－1a采用的便是無尾式布局。20世紀六七十年代著名的“幻影”Ⅲ、F-102、Saab.35等戰(zhàn)斗機，以及“協(xié)和”式和圖－144型超聲速客機亦為無尾的。有的人甚至把鴨式布局飛機也推入“無尾者”的行列，因為此種飛機只有主翼和前翼，沒有水平尾翼。

而當前被一些傳媒搞得沸沸揚揚的所謂“無尾戰(zhàn)斗機”，主要是指取消了垂直尾翼的戰(zhàn)斗機。顯然，二者之間存在著很大的差別。嚴格地講，將沒有水平尾翼的飛機稱為無尾飛機，并不很確切。而把去掉了垂直尾翼的飛機也叫做無尾飛機，則容易造成概念上的混亂。

對無尾飛機的科學定義應(yīng)該是：既沒有水平尾翼，也沒有垂直尾翼的飛機。換而言之，只有取消了垂直尾翼的飛翼式、鴨式及純粹的翼身組合體布局的飛行器，可以涵蓋在這一范圍內(nèi)。如果再嚴格一點，鴨式布局飛機也不應(yīng)歸入無平尾飛機的行列。因為這種飛機有前后兩個翼面。根據(jù)其作用，完全有理由把前翼(也稱作鴨翼)看作是“前置平尾”。如果干脆將主翼當作是一個相對于前翼而言的大面積平尾，也未嘗不可。不過從尊重歷史習慣起見，筆者認為仍可將沒有水平尾翼的飛機稱為“無尾飛機”；而把沒有垂直尾翼的飛機叫做“無垂尾飛機”；至于B-2、X-45、X-47、“神經(jīng)元”之類真正的無尾飛機，只好命名為“全無尾飛機”(即我們所說的飛翼)了。

目前，真正符合上述定義的全無尾飛機雖只有少數(shù)幾種，但是隨著技術(shù)的進步，它們的隊伍正在逐漸壯大，并擴展至其它機種，如美國有關(guān)公司正在進行預(yù)研的先進戰(zhàn)術(shù)運輸機(ATT)方案、“四傾轉(zhuǎn)旋翼飛機”(QTR)方案、“飛翼翼身融合”戰(zhàn)術(shù)運輸機(BWB)方案等。

無尾翼·優(yōu)點

可以說，從萊特兄弟試飛成功世界上第一架飛機起，垂直尾翼就一直是各種飛機不可或缺的重要部件。那么，現(xiàn)在人們?yōu)楹斡制炔患按匾獙⑺サ裟?取消垂尾又能給飛機帶來什么好處呢?其實，垂尾能帶來在控制和安定方面的諸多好處的同時，也會帶來一系列難以克服的缺點和無法解決的問題。比如，高高聳立的垂尾首先成了一個最大的雷達反射體進而影響飛機的隱身性能；另外，垂尾的存在還會導致飛行阻力的增加。風洞實驗的結(jié)果表明，低速小迎角狀態(tài)下，在單獨機身上加裝垂直尾翼后，阻力系數(shù)大約要提高30％左右。超聲速飛行時，垂直尾翼對激波阻力的影響更大；尾翼還是個較大的結(jié)構(gòu)件，其重量約占飛機起飛重量的6％～7％，而且它們還要承受氣動載荷，并對機體形成一定的彎矩和扭矩。為此，飛機的機身還要用更多的重量用于加強相應(yīng)的結(jié)構(gòu)。如此一來，當飛機沒有垂尾后，阻力、重量和雷達反射截面積都會相應(yīng)減小，必然會極大地提高飛機的綜合性能。

飛翼布局在民用客機領(lǐng)域同樣有著非常大的應(yīng)用潛力。通常情況下，當一架民航客機以0.8馬赫巡航時，摩擦阻力會占到全部阻力的51％，是飛機飛行的主要阻力。而浸潤面積直接決定了飛機的摩擦阻力。由于客機要運載乘客和燃油，因此必須保證一定的體積空間。在體積一定的情況下，飛翼布局的表面積要遠小于傳統(tǒng)客機的表面積(減少25％～30％)。加之飛翼布局徹底解決了傳統(tǒng)布局帶來的翼，身干擾阻力(機翼與機身之間由于氣流相互干擾形成的阻力)，因此民用大型客機如果采用無垂尾布局方案能大大提高飛機的經(jīng)濟性(見表1)。不過，目前出現(xiàn)的一些飛翼客機方案中，普遍將發(fā)動機置于飛機尾部。如此一來，當飛機仰角過大時，可能會影響到發(fā)動機的進氣。

無尾翼·問題

有人認為，拿掉了尾翼，與之相關(guān)聯(lián)的舵面及其操縱系統(tǒng)(如傳動裝置、作動器、液壓系統(tǒng))也都沒有了，飛機將變得比較簡單，既降低了系統(tǒng)的重量和造價，又易于維護。對這一論點，筆者不敢茍同。因為尾翼對飛機的縱向和橫向的操穩(wěn)特性有著非常重要的影響和貢獻，不是隨便可以淘汰的。拆除了垂尾，必須采取相應(yīng)的措施和設(shè)備去代替它們原先的功能，由此而引發(fā)的一系列問題，也頗讓人頭痛。例如，沒有了垂尾，飛機靠什么保持航向安定性和橫滾安定性?沒有了方向舵，又如何進行航向控制呢?

B-2轟炸機是一架真正的全無尾飛機，該機為了保證具有良好的縱向和橫向操縱特性，除采用了先進的電傳操縱系統(tǒng)外，在其“w”形機翼后緣處，共設(shè)置了8個異乎尋常的操縱面。其中，6個是負責俯仰和橫滾操縱的升降副翼，而另兩個活動翼面則主要起航向控制作用，它們被稱為阻流式方向舵。

阻流式方向舵是一種很新奇的設(shè)計，它們像副翼一樣安裝在外側(cè)機翼的后緣處，但使用起來與副翼不同。副翼是上下偏轉(zhuǎn)的，而它們則是上下開裂的。從而可根據(jù)需要產(chǎn)生一定的阻力和阻尼力矩。在飛行中，當左右機翼上的阻流式方向舵的開裂角度不一樣時，飛機將會在阻尼力矩的影響下，改變其偏斜的狀態(tài)。它們的作用與普通的方向舵類似，但其操縱效率、敏感性可能不如方向舵。

無垂尾戰(zhàn)斗機為保證其機動性和飛行品質(zhì)，當然也可以采用由主動控制系統(tǒng)操縱的阻流式方向舵來提供安定力矩和方向操縱力矩。但與大型、亞聲速的運輸機、轟炸機相比，無垂尾戰(zhàn)斗機的機翼很薄，展弦比較小，在其外翼段為這種開裂式方向舵設(shè)置大功率的作動器比較困難。何況，為提高操縱效率，副翼的安裝位置也希望能盡量靠近翼尖。二者必然會因此而發(fā)生“爭地盤”的矛盾。運用矢量控制的方式在某種程度可以說是無垂尾戰(zhàn)斗機進行飛行控制的首選方案。但是矢量控制方式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜、重量較大、造價較高；復雜性往往帶來了設(shè)計、可靠性和日常維護方面的問題。美國的麥道公司(后與波音公司合并)

開發(fā)的X-36飛翼無人機的研制難點之一就是如何將推力矢量控制與新型氣動操縱面控制綜合在一起；重量上的增加也抵消掉飛翼飛機氣動上帶來的優(yōu)勢；高昂的造價也是各國軍方首腦不得不考慮的問題。

當然，目前也有人提出了一些新的操控方式，但不管采用什么樣的操縱技術(shù)，最終都必須統(tǒng)一到綜合化程度很高的飛行控制系統(tǒng)中。

無尾翼·發(fā)展

從大量的研究結(jié)果看，無垂尾戰(zhàn)斗機的優(yōu)點是：可使總體作戰(zhàn)效能大幅度提高。而難點則是：如何保證其具有良好的操穩(wěn)特性。對駕駛員來說，后者更重要。因為戰(zhàn)斗機的作戰(zhàn)能力再強，若飛行品質(zhì)很差，不安全，是無法讓人接受的。

無垂尾戰(zhàn)斗機、攻擊機、轟炸機、運輸機在設(shè)計上存在很多矛盾，要解決這些問題，當然不是一蹴而就的事，需要分段實驗，分類研究，通過一系列的技術(shù)驗證和系統(tǒng)綜合，才能逐步完成。

在這一領(lǐng)域，現(xiàn)在處于領(lǐng)先地位的是美國人。從上個世紀90年代開始，他們便計劃用幾種新研制的或經(jīng)過改裝的現(xiàn)役飛機實施有人駕駛無垂尾戰(zhàn)斗機的技術(shù)驗證計劃。目前，研究工作進展較深入的是用X-3IA“增強戰(zhàn)斗機機動性驗證機”改進而成的“無垂尾驗證機”。該機的技術(shù)基礎(chǔ)比較好。它在尾噴口處裝有三塊推力矢量調(diào)節(jié)板，該系統(tǒng)能利用發(fā)動機的轉(zhuǎn)向推力，使飛機進入過失速狀態(tài)，從而大大改善戰(zhàn)斗機的機動性。在過失速的情況下，垂尾和方向舵基本上是無效的。此時，X-31A的操縱完全要仰仗推力矢量調(diào)節(jié)板。有鑒于此，美國人決定用它來“探路”，解決無垂尾戰(zhàn)斗機的一些關(guān)鍵性問題。

整個實驗分三步走；先修改X-31A的飛行控制軟件，使該機成為一架可模擬無垂尾外形的變穩(wěn)飛機。飛行時僅靠推力失量調(diào)節(jié)板來滿足航向操穩(wěn)要求。接著，是在此基礎(chǔ)上將X-31A垂尾的面積“削”去～大塊(變成半立尾)，經(jīng)過試飛驗證后，最終將垂尾完全拿掉。

目前，美國的飛翼飛機主要以無人機為主，通過計算機系統(tǒng)的逐步完善，飛翼的控制問題解決得很好。其中美國麥·道公司的X-36的最大允許過載為達到了5g，最大飛行馬赫約0.6，最大迎角可達36度。其大迎角機動性已經(jīng)優(yōu)于大部分現(xiàn)役戰(zhàn)斗機。

X-36技術(shù)驗證機的成功，為高機動的無人駕駛隱身戰(zhàn)斗機探索出了一條可行的發(fā)展之路。緊隨其后，X-45A、X-47A、法國達索公司牽頭研制的“神經(jīng)元”等一批無尾無人駕駛戰(zhàn)斗機的技術(shù)驗證機也相繼飛上了藍天。

2008年11月在廣東珠海舉辦的第7屆中國國際航空航天博覽會上，我國有關(guān)單位研制的“戰(zhàn)鷹”無人駕駛攻擊機方案高調(diào)亮相，引起了國內(nèi)外航空界和新聞媒體的廣泛關(guān)注。

單純就隱身能力而言，我國新推出的“戰(zhàn)鷹”無人駕駛攻擊機方案堪稱一流，和美國的X-45、X-47以及歐洲的“神經(jīng)元”一樣，“戰(zhàn)鷹”亦采用了飛翼式氣動布局、背部進氣道、二元噴口、復合材料、雷達吸波涂料等先進技術(shù)。無論是正面，還是側(cè)面，其雷達反射截面積均極小，紅外信息特征也較低，與西方國家處于研制階段的無人戰(zhàn)斗機屬同一水平。

在外形上，“戰(zhàn)鷹”與X-45、X-47、“神經(jīng)元”等無人戰(zhàn)斗機方案的最大不同之處是，后者的平面形狀多為三角形、菱形、飛鏢形，而“戰(zhàn)鷹”則選擇了氣動特性更為優(yōu)異的前掠式主翼。該機的內(nèi)翼段可看作是一個外觀呈六邊形的翼身融合體，其前機身為比較尖銳的三角形，而機尾則為鈍三角形。發(fā)動機進氣口設(shè)在機頭上方，兩個偏平的二元噴口基本上與尾部的鈍三角形平齊。它的前掠式主翼安裝在六邊形的翼身融合體的兩側(cè)，其前緣后掠角大約在15度左右，而主翼后緣前掠角則比機尾鈍三角形的前掠角稍大一些。

與后掠翼相比，前掠翼在氣動上有不少長處。一般來說，飛行時，后掠翼上的氣流附面層有向機翼外側(cè)偏移的趨勢，氣流容易在翼尖處分離，從而導致翼尖“失速”。其結(jié)果是：升力減小、阻力增大、副翼舵效降低。相反，前掠翼可使流經(jīng)機翼表面的氣流往內(nèi)傾斜，其附面層是向翼根“堆積”的，因此，翼尖不易“失速”。當然，附面層堆積到翼根部位也不是好事，需要想辦法“吹除”它?！皯?zhàn)鷹”采取的措施很簡潔，將三角形前機身作為邊條使用，利用其側(cè)緣產(chǎn)生的脫體渦把堆積在翼根處的附面層卷走。與此同時，邊條脫體渦還可以給主翼和翼身融合體增升。

試驗結(jié)果表明，前掠式機翼不但升阻特性好，而且升力的展向分布也比較合理，有助于減輕機翼的結(jié)構(gòu)重量。另外，還有一點必須特別指出：對前掠翼來說，即使機翼其它部分都失速了，在一定的迎角范圍內(nèi)，其副翼仍能起作用，而這正是全無尾飛機所迫切需要的。

為了滿足飛翼式布局航空器的橫、航向操穩(wěn)特性的要求，保證能有足夠的舵面效率，在設(shè)計全無尾飛機時，一般都需要盡量將副翼、升降副翼、方向舵、擾流器／折流板、差動前緣襟翼等負責飛機橫向和航向控制的活動翼面，布置在遠離全機重心的機翼外翼段的后緣、前緣或翼面上。如果飛機的翼尖容易失速，將對這些舵面的操縱效率產(chǎn)生極為不利的影響。顯然，“戰(zhàn)鷹”無人機方案選擇前掠主翼的構(gòu)思，要比X-45、X-47、“神經(jīng)元”等無人戰(zhàn)斗機方案更高明，因為在大迎角飛行狀態(tài)下，其副翼，阻流式方向舵等的操縱更為靈活、有效，對飛機縱向、橫向和航向操穩(wěn)特性的要求也更容易得到滿足。

前掠式機翼有一個致命的弱點，即存在著彎扭發(fā)散問題。但這是就前掠角比較大的機翼而言的，“戰(zhàn)鷹”無人機的前掠角只有15度左右，基本上不會出現(xiàn)彎扭發(fā)散的問題。無需花大力氣去解決它。

在第7屆中國國際航空航天博覽會上展出的“戰(zhàn)鷹”無人機方案，只是個概略的模型，沒有詳細畫出其主翼上各個活動舵面的位置與形狀。不過，有一點可以肯定，那就是：取消了立尾的“戰(zhàn)鷹”無人機，在操穩(wěn)特性和飛行品質(zhì)方面也會面臨許許多多的問題和矛盾，為解決這些難題，就勢必要采用各種新穎操縱方式以及先進的電傳操縱系統(tǒng)、電子信息系統(tǒng)、自動駕駛儀等機載設(shè)備和裝置。否則，將很難保證這類飛行器的操控品質(zhì)和飛行安全。“暗劍”高機動無人機、“戰(zhàn)鷹”無人駕駛攻擊機的高調(diào)亮相，說明我國在先進無人機的研制方面正在進行深入探索，關(guān)鍵性的軟、硬件的開發(fā)顯然已取得了重要的成果，一些創(chuàng)新性的航空技術(shù)也有了較大的突破，正逐步與國際先進水平看齊，并力爭有所超越。

未來的大型運輸機、戰(zhàn)斗機和其它的軍用和民用飛機是否會最終“砍”去垂直尾翼，人們可以從B-2，X-31A、x，36、X-45、X-47、“神經(jīng)元”、“戰(zhàn)鷹”等飛機的試飛結(jié)果、使用情況和研究結(jié)論中窺得一斑。