飞机机翼翼型解析.docx

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飞机机翼翼型解析

飞机机翼翼型解析

近日，网上有传我国J-20战斗机改装前掠翼版，并且配有想象图，象机翼“前掠”、“后掠”等名词，如果不配图，很多菜鸟级军迷可能还不知道是什么个翼型。

现在，我想从固定翼飞机和直升机两个方面来对各种机翼进行简单剖析。

一、固定翼飞机翼型。

1、固定翼飞机机翼大布局分为：

常规布局、大三角翼布局、鸭翼布局。

常规布局就是我们常见的飞机，是目前世界上应用最广泛的一种翼型。

常规布局飞机的特点是前翼大、后翼小，机尾有尾垂，这些都是最基本的。

常规布局仍存在一些看起来不一样的地方飞是尾垂仍有几个式样，如：

大型客机和运输机尾垂顶部有小翼，现代三代、四代战斗机多采用双尾垂，而二代以前的战斗机几乎都是单尾垂的。

很多大型飞机主翼稍部都有一个小的上翘，称为翼稍小翼；之所以做这个小翼是因为设计师们发现，飞机尖细的翼稍高速划过空气时会剧烈撕裂空气并形成紊流，而紊流对飞机的升力和高速性都造成了明显的不利影响，如果消除这样的紊流将对减小飞机的燃料消耗起到很大作用，所以现有多大型飞机都设有小翼，而战斗机之所以很少有翼稍小翼是因为小翼对飞机来说本身是一个增重，大型飞机由于自身重量大对这样小的增重不太敏感，而战斗机起飞垂量低，对超重非常敏感，设计翼稍小翼给战斗机带来的好处和飞机增重带来的小利影响基本持平或者大于收益，所以战斗机飞不再设翼稍小翼了。

现代很多战斗机翼尖可挂格斗导弹，如SU-27、J-15、F-16等等，当这些飞机翼尖不挂导弹时从减轻飞机重量来考虑应该拆掉翼稍挂架，但很多飞行中的战斗机并不拆除这一对挂架，主要原因就是这对挂架虽然会增加飞机自重，但在飞行时却起到翼稍小翼的作用，两相抵消后虽然没有多大增益但增重后对飞行的影响也不大，不拆除挂架还减少了一些维护费，所以很多战斗机平时也保留了这对挂架。

部分中型运输机改装的特种机尾翼两侧加了两到四块垂直方向安装的小板称为“端板”，端板的作用主要是增强飞机飞行的气动性，如美军E-2预警机为了方便地放进机库而降低了垂尾高度，而垂尾的一个重要作用就是平飞是改变飞行方向，垂尾降低后飞行转向性能变差了，为了弥补这个据点，增加垂尾是很普遍的方法，E-2预警机在增加垂尾后可以在降低垂尾高度的同时维持了飞机转向性能。

三角翼布局又可分为两个种类，即：

大三角翼布局和鸭翼布局。

大三角翼布局飞机是整个飞机只有一对大的主翼和一对小的尾垂，没有其他机翼。

美军的B-2轰炸机、F-117轰炸机、X-47B无人机和我国“天剑”无人机都是采用这种布局。

这种翼型的特点是结构简单，有利于对飞机进行隐身设计，飞机机翼和机身融合后机内空间大，有利于远程飞行和增加载弹量，不利的一面是飞机只有一对主翼和一对很小的垂尾，这就造成了飞机的机动性，转向性都比较差。

这种飞机的大机翼很容易设计机翼整体油箱，这就可以在不占用机体空间的条件下载有较多燃油，留出的空间可以挂更多的导弹，但这种机动性很差的翼型也仅适宜于象隐身飞机和无人飞机待对机动性要求不高的飞机，一般战斗机无法采用。

在战斗机无法适应这种低机动能力的条件下，人们又设计出一种在大三角翼前面加装一对小翼，后面多使用双尾垂，经过这样设计后整个机体有点象个展开翅膀的小鸭子，所以通常就把这种翼型称为鸭翼布局，安装鸭翼后可以大大提高飞机的机动性，这种翼型应用到战斗机上可以使战斗机可拥有很高的机动性，这就打开了在战斗机上应用三角翼技术的大门。

鸭翼战斗机的特点是兼有大三角翼飞机的优点的同时又具有很强的机动性，使得这种飞机作为战斗机具有很强的优势，但是世界上的事物很少有只有优点而没有缺点的事物，鸭翼也一样，在应用于战斗机时，在低速飞行时迎风阻力较大，低速机动性低，降落时昂角较大，下视能力差，在进行上舰改造时机翼不易拆叠，不利于上舰改造。

现在这种翼型的飞机在欧洲应用较广泛，欧洲著名的“双风”、法国幻影系列战斗机、瑞典“鹰狮”战斗机，以色列妖折的“幼狮”战斗机都是这种布局，由于该机本身固有的缺陷，法国“阵风”战斗机就没有应用折叠机翼，虽说三角翼可以利用正反交错停放，这种停放在机库里没有什么问题，但在甲板应用时对甲板调度非常不利。

近年来我国对鸭翼战斗机似乎情有独忠，我国的J-10三代机和J-20四代机先后采用了鸭翼布局。

2、上单翼、中单翼和下单翼。

所谓单翼飞机中的单翼是相对于是期的双翼飞机和三翼飞机而言的，所谓双翼机就是机翼分上下两片安装在机身的上方和下方，人类历史上第一次造的飞机就是双翼机，这是由于早期的发动机重量大，动力不足，飞机需要足够的机翼面积才能实现稳定飞机，这就是一战时双翼机主宰世界天空的原因。

三翼机是机身上部、中部和下部都有一组机翼，产生的原因和双翼机一样也是为了在同样的空间下拥有更大的机翼面积。

一战时德国著名的福克DR-1是最负胜名的三翼机，一战中描绘空战的电影上都少不了英国双翼机和德国福克三翼机对决的场面。

相对于双翼机而言，三翼机机翼面积更大，能够产生更大的升力，稳定性也更好，但机翼本身有重量，早期的飞机发动机动力性能很差，多了一个机翼的重量对飞机负荷能力影响很大，而三翼更大的机翼面积为飞机提供的升力又弥补了机翼增重给飞机带来的负面影响，所以三翼机在获得较高飞行稳定性的同时机动性能要低于双翼机，同时负荷能力也受到一定影响，好在二战时的飞机都是作为制空战机，很少执行对地攻击任务，飞机负荷只要能够安装空战武器就足够了，不必考虑提高外挂能力。

随着现代航空技术的发展，飞机发动机功率越来越来，重量越来越轻，除了少数小型民用飞机外，军用飞机使用多翼为飞机提供更大的机翼面积的需求已经不存在了，所以现代几乎所有的飞机都使用单翼构架，但双翼飞机拥有结构简单，生产和使用成本低廉等特点，所以仍有部分双翼飞机用于民间测绘、喷散农药等工作。

固定翼飞机的单翼构架分为：

上单翼、中单翼和下单翼。

上单翼飞机的机翼位于机身上部，为机身提供足够的上上升力，机身位于机翼下方，这种翼型的特点是飞行稳定性高，机身难以做出滚转等动作，机翼离地距离大，发动机不易吸入地面的碎石和泥土等杂物，这种翼型非常适合现代重型军用运输机需求，现代大型军用运输机多从事战斗机、直升机、坦克、火炮和军用车辆的运输，这些现代装备很沉重，也很精密，要让运输这些装备的飞机进行滚转等特技动作的后果是灾难性的，一次滚转可能要损失大量的作战装备，甚至可能由于重型装备在机内翻转严重损坏运输机机体造成机毁人亡的后果。

所以对这种重型运输机而言，机动性和滚转几乎是多余的，稳定性却非常重要，而挂在高高的上单翼机翼上的发动机增加了与地面的距离，减少了吸入异物的几率，让重型运输机可以在条件较差的前线土质跑道、甚至临时跑道上起降。

上单翼因为机翼位置高，发动机离地高，所以发生发动机和地面相磨擦的可能性低而可以把飞机起落架造得很低，这样即可以降低机体到地面的高度，有利于降低装御货物的难度和成本，又可以减小起落架的重量，所以上单翼翼形飞机非常适合现代运输机的技术要求，世界上所有的大中型运输机如美军的C-5“银河”、C-17“环球霸王”，俄罗斯的安-125、伊尔-76重型运输机，美军的C-130“大力神”、欧洲的A-400、中国的运-8等中型运输机都采用上单翼构形。

而我国新型运输机运-20则采用了“悬挂”翼形，实际上就是上单翼的一个极端形式，因为上单翼机翼是穿插在机身上部，但“悬挂”翼形机翼位于机身上部，并不穿插到机体内，机身好象“吊挂”在机翼下面，这样做的一个好处是机翼不穿入机身可以给机身内部留有更充足的货载空间，飞机发动机离地距离加更能适应简易机场的起降，但这种做法的缺点是在进行翼身融合的结构对飞机造成了多余的重量。

我国C-20大运的大小比美国的C-17“环球霸王”略小，相对而言美国C-17“环球霸王”机体直径很大，机翼直接穿插进入机身内部对机身内部空间影响不大，但我国C-20机身直径明显小于C-17，为了获得与之机近的运输能力，C-20采用“悬挂”翼形可以使机翼不对机身内部空间不必要的影响，机翼升高后还可以获得与C-17机近的简易机场起降能力，这些改动对提高我国运输机的运输能力意义重大，由于大型运输机对增重的敏感程度要低于战斗机，所以“悬挂”翼形结构在获得运输空间和起降能力后对结构增重带来的不足是可以容忍的。

使用“悬挂”翼形的运输机大多属于介于战略运输机和战术运输机之间，机体较小而又需要承担部分类似战略运输任务的机型，如：

伊尔-76这样体积的运输机，运-20机体大小已经接近C-17，即使使用正常穿插于机体内的上单翼翼形有拥有很强的运输能力，但这种机翼不穿入机体的结构类型可以部分克服运-20机体直径较小的问题，增强大型装备的运输能力。

下单翼飞机机翼位于机体的下部，对于小型飞机而言机翼离地较近，没有安置发动机的空间，所以小型飞机发动机多安置于机翼上翼面，这种翼形飞机飞行稳定性低，机动性高。

现代大型客机由于体积大，翼展较宽，随着翼展的加宽，下单翼飞机稳定性差的特点越来越不明显，而现代大型客机对安全的要求前所未有，飞机制造精密，保养成本高，由于民用客机需要极为频繁的维修和保养，大型机机翼位置较高会导致发动机位置也较高，从而造成发动机保养费用上升。

由于飞机飞行稳定性和翼展成正比，只要飞机翼展达到一定宽度时，飞行稳定性就不再成为下单翼的缺点，而客机主要在专用的大型机场起降，几乎不存在吸入杂物的问题，而发动机离地高度小为了更方便地进行发动机维修和保养，降低维修和保养费用，还有就是下单翼的客机在降落时机身重心离地近，安全系数较高，面且着地后如果发生机身顷斜时由于机翼离地较近，当机翼与地面接触时机体的顷斜度不大，这也从另一个角度提高了客机的安全系数，正是由于这些特点，所以上个世界50年代以后生产新型客机多采用下单翼。

中单翼飞机的机翼位于机体中部，介于上单翼和下单翼之间，这种翼形兼有上单翼和下单翼飞机的特点，但飞行特征却不如下单翼和下单翼飞机那么突出，正如其名称一样，这种翼形各种表现都很中庸，也很好地平衡了飞行机动性与稳定性，比较适合用于多用途飞机。

现代几乎所有的战斗机、战斗轰炸机和多用途战斗机都采用中单翼。

中单翼飞机作为战斗机的明显特征是无论机动性、稳定性、航程等特性都比较均衡，这就奠定了中单翼作为多用途战斗机的基础，中单翼飞机机翼主梁虽然要穿过机体，但战斗机内部空间多用于安装机载设备，这些设备在安装上和机翼主梁不会发生冲突。

世界战斗机的翼形有着其特殊的发展规律，一战时期的战斗机以双翼机和三翼机为主，这在前面已经说过，而到二战时期，主流战斗机基本发展成下单翼战斗机，如二战时期美军F-86“佩刀”战斗机和日本的零式战斗机都属于下单翼战斗机。

直到战后随着喷气式飞机技术的发展，世界各国战斗机逐步发展成为现在的中单翼战斗机，到目前为止，世界上主流三代、四代战斗机采用的都是中单翼结构。

3、飞机掠翼的翼型有机翼前掠、机翼后掠和可变后掠翼。

二战以前的飞机绝大多数都是平直机翼飞机，即飞机机翼平直并和机身成90度夹角，这时候飞机机翼的升力值最大。

后来，设计师们发现，当机翼和机身夹角不为90度时，当机翼向前偏转时称为前掠，向后偏转时称为后掠，当机翼前掠或者后掠时飞机的飞行性能会出现很大变化，这些变化有些对作战有利，有些对作战不利，利用这些变化就可以研制出作战所需的军用飞机。

后掠翼概念由20世纪30年代末开始提出的，主要是为了克服因接近音速飞行而急剧增大的空气阻力，突破“音障”，随后，出现大量的军用后掠翼飞机，1945年，德国制造出世界上第一架前掠翼飞机。

前掠翼飞机机翼向前偏转一定的角度，翼尖分裂气流，空气受机身和机翼前沿的双重挤压在翼概与机身的夹角内形成一个高压区，高压区的气体会加速向外扩散，由于这个原因，飞机主翼襟翼作用于空气时效果非常好，飞机灵敏度大幅提高，但飞机速度接近音速时机翼上表面气体流速达到超音速状态，飞机飞行阻力变大，而且前掠角越大，这种作用越明显。

面且机翼获得的空气抬升力不平衡，根部获得的升力较大，翼尖获得的升力较小，但和平直机翼相比总体升力下压，飞行稳定性降低。

使用前掠翼的飞机在获得超机动性的同时损失了速度和升力，在同等推力作用下致使飞机速度降低、航程缩短，所以目前世界上很少有使用前掠翼翼型的飞机，为了获得“超机动性”，前苏联研制过的SU-47“金雕”战斗机采用了前掠翼机型，但是，这样的设计可以说是因为前苏联在超视距空战中落后于美国，不得不采用高机动性弥补赶视距作战能力不足的缺憾，以期在近距作战中获取非对称优势，从目前来看，这种理念已经落后于时代，所以这样的机型很难获阳大的发展空间。

最近网上流传我国J-20前掠翼版四代机设计理念和“金雕”战斗机如出一辙，如果在发动机能力不足的条件下使用前掠翼飞机会进一步降低战斗机的高速性，这对空战中四代机要求超音速巡航相背离，在超视距作战为主的一体化作战时代，指望在近距格斗中打败F-22甚至F-35的思维本身是有问题的，所以我个人认为J-20前掠翼版四代机的最终命运比“金雕”战斗机好不到哪去。

后掠翼飞机机翼向后偏转，的空气分流情况和前掠翼飞机相反，翼根分流空气后到达翼尖形成一个高压区，由于这里不受机身的作用，这个高压气空气密度要小于前掠翼翼根处的高压区，这里产生的空气阻力和紊流流量都要小于前掠翼飞机，后掠翼飞机机翼前沿阻力甚至小于平直机翼的飞机，拥有很好的高速性，由于这种飞机机翼的升力仍小于平直机翼飞机，飞行稳定性也低于平直机翼型同时获得一定的机动性，所以后掠翼飞机在损失了部分有效负荷和航程的条件下获得了较好的高速性和机动性，这些变化都随着后掠角的加大而增强，设计师们可以根据军方的需求决定机翼的后掠角，设计出满足他们的作战需要的飞机，后掠翼飞机在功能上基本平衡了高速性与机动性、航程与负荷能力之间的关系，所以二战后世界上几乎所有的飞机都采用后掠翼。

不过，虽然看上去机翼前后掠的设计型很简单，但在现代战斗机中根据飞机的性能需求应用了一些组合方式，所以构形复杂起来，早期的战斗机一般采用简单构型，如前翼后掠则后翼也后掠，机翼前沿后掠则后沿也后掠，但进入上个世纪90年代以后，美军宣布开始研发“四代”机，世界各国的工程师们在考虑“下一代”飞机将会走向何方，于是出现了众多的组合型的翼型，如美军的F-22和F-35前后翼都是机翼前沿后掠，后沿前掠，再和机体相组合后形成了规整的“菱形”机翼，俄罗斯SU-47是前翼前掠、后翼后掠，机翼形成了一个漂亮的“X”形，以获得“超机动性”，我国的“枭龙”战斗机主翼采用的是前沿后掠，后沿平直，这样的布局是为了在获得高速、高机动性的同性仍保留一定的大负荷能力和对地攻击能力。

飞机的高速性、机动性和航程、负荷能力之间呈现出此消彼长的关系，当飞机后掠角较大时飞机表现出很高的高速性和机动性，但航程变短，负荷能力变差，减小飞机后掠角后飞机负荷能力能力增加，航程也随之增加，但飞机的高速性和机动性变差，为了满足不同需求条件下飞机的性能要求，设计师们又为飞机设计出了可变掠翼型飞机，即可以根据飞行状态的需要调整机翼后掠角的飞机，在巡航状态时使用小后掠角翼型，可以获得较大的负荷能力和较远的航程，在作战状态时使用大后掠角可以获得高速度和高机动性。

这种变化在战时用途很大，战斗机或者轰炸机在执行远程作战任务过程中可以用小后掠角来获得所需的载弹量和航程，在执行空中作战和高速突防时变为大后掠角可以获得高速性和机动性。

这种机型虽然在作战中可以依靠变后掠翼获得作战所需的性能，但是变后掠翼要使用沉重的液压装置，不仅小型飞机无法使用，连重型飞机也觉得吃不消，整个变后掠翼系统重达数吨，如果中型战机使用这一负荷来挂载弹药可以获可观的作战能力，要使用后变掠翼系统就得放弃部分弹药负荷用于加装后变掠翼装置，并且加装后变掠翼系统价格昂贵使得飞机成本大幅上升，所以世界各国中小型战斗机对这一系统鲜有问津，只有美俄有几款重型飞机作用了这个系统，他们是美国的F-14“雄猫”战斗机、B1“枪骑兵”轰炸机和俄罗斯的TU-160轰炸机，和轰炸机相比，F-14战斗机虽然不算太重，但如果和其他战斗机相比，33吨的起飞重量却是世界上起飞重量最重的战斗机之一。

二、直升机的翼型

1、常规布局直升机。

“单轴单旋翼”直升机，就是采用一个大的主旋翼作为主动力，后面加一根尾梁、小旋翼或者方向调控装置的直升机，这种直升机的特点是结构简单，机体空间宽大，生产工艺成熟，加大的减小直升机起飞重量只需要同等放大或者缩小机体，不必考虑气动问题，非常适宜作为运输直升机使用。

这种直升机涵盖了军用和民用的轻、中、重型各种型号，在世界上生产量最多，使用最广泛。

部分常规布局的直升机加装了一些小翼，有的装在机身两侧，专用武装型直升机如

“阿帕奇”、“武直-10”的小翼兼做武器挂架，有的加装在尾梁上，如俄罗斯“米-17”，而尾翼控制方向多使用侧向的小旋翼，象“直-8”直升机一亲，大多数小翼都直接安装在尾梁上，但也有的小翼包在尾梁专用装置内，如“直-9”，有的采用喷气等方式进行方向控制，但主翼提供升力和前进边，尾部装置提供方向控制的基本格局不变，所以还是称为常规布局。

除俄罗斯以外，世界上绝大多数直升机，包括我国的“直-8”、“直-9”，美国的S-70“黑鹰”、SH-60“海鹰”直升机和俄罗斯“米高扬”飞机制造厂研制的各型直升机如米-4、米-6、米-17和重型直升机米-26都采用这样的布局，而美国重型直升机CH-53有一个变种是没有机身的，其他地方和CH-53运输直升机一模一样，所以也称为常规布局单轴单旋翼直升机。

常规布局直升机中还有一种“共轴双旋翼”直升机，机体上方采用旋转方向相反的两个主旋翼安装在同一旋翼轴上，方向控制主要依靠调整两个旋翼的转速而实现的，尾梁上只安装有简单的气动装置，没有小旋翼，这种直升机的特点是机体短小，起飞重量大，负荷能力强，机动性好，但据点是机体高度较高，由于采用了2个主旋翼，油耗较大，机内空间偏小，不适宜作为运输直升机。

我们所熟知的俄罗斯“卡西莫夫”设计局制造的“卡-28”反潜直升机、“卡-31”预警直升机、“卡-52”武装直升机都是“共轴双旋翼”直升机。

二、复合翼直升机。

所谓复合翼直升机就是主旋翼2个以上，以非共轴的形式研制的直升机。

现在设计和生产的多为“双轴双旋翼”直升机，俄罗斯曾研制过两款“双轴双旋翼”直升机，其中一款的格局与美军CH-47“支奴干”直升机一样，机体如箱体状，前后各有一个主旋翼，另一款为固定翼飞机结构，两个主旋翼位于飞机机翼上，但由于种种原因均未投入批量生产，目前硕果仅存的仅有美军的CH-47“支奴干”直升机。

这种直升机的特点是机体宽大，起飞重量高，运输能力强，非常适合作为运输直升机作用，但缺点是对发动机要求高，研制难度大，必须解决好起飞时的“抖震”问题，俄罗斯就是因为一时难以解决强烈的“抖震”致验证机坠毁，成为双轴双旋翼直升机项目失败的一个原因，我国如果要研制类似的直升机必须解决大功率发动机和“抖震”问题才能保证项目的实施。

近年，美军还研制了一款V-22“渔鹰”“顷转旋翼”直升机，如果按上面的名称完整的称乎可以称为“双轴双顷转旋翼”直升机，该型顷转旋翼直升机设计成为直升机双旋翼和发动机一起可以实现90度翻转，可实现由悬体转向平飞或者由平飞转向悬停，机体设计成类似箱体形，空间较为宽大，起飞时和普通直升机并没有两样，但平飞时通过旋翼顷转变成类似“蜗轮螺旋浆”飞机的飞行方式，速度比直升机快了很多，起飞重量和飞行距离都有了很大提高，但缺点是研制难度非常大，特别是在垂直上升转为平飞状态时很容易失去稳定性，必须在稳定控制上加强研究。

目前世界上没有已知的国家公开在研顷转旋翼直升机，只有韩国、以色列等部分国家研制了一些超轻型顷转旋翼无人机。

但美国双设计再研制一形“四轴四顷转旋翼”直升机，该直升机采用大功率涡轴发动机带动四个顷转旋翼起飞，起飞重量大，可以达到中型运输机的水平，这些顷转旋翼直升机最大的优势是可以在两栖攻击舰甚至驱逐舰上起飞，起飞重量和航速远超普通直升机，可以获得较大航程，是海上和前线作战的理想直升机。

我国如果研制出类似直升机可以大大增强我海军的两栖作战能力。

三、其他新的改型直升机。

目前美、欧等发达国家在现在直升机的基础上研发一些新型直升机。

美军有一款拥有直升机的机体，但为了获得较高的航速，将尾浆的方向由侧向转为直向的，功能控制方向转为兼有推进的功能，这样可以大大增加直升机的航速，这样布局的直升机由于两个旋翼的方向不相同，稳定控制非常困难，以目前的技术而言要获得可信的飞行稳定性可以还需时日。

法国在研制在“海豚”直升机的基础上加两个类似“蜗轮螺旋浆”的装置作为推进装置，可以大大提高直升机的飞行速度，便这样的直升机虽然取得了较大的航速，但加装螺旋浆后油耗增大，即使有可观的航速，但航程应该难于加大。

这些新改型都在追求不使用大型机场的条件下增加飞行器的航速和航程，但从效果上也不不理想，如果有能力还是直接研制和使用类似美军“V-22”“渔鹰”顷转旋翼直升机。