现代飞机常见气动外形特点及发展

摘要

我们看到任何一架飞机，首先注意到的就是气动布局。飞机外形构造和大部件的布局与飞机的动态特性及所受到的空气动力密切相关。关系到飞机的飞行特征及性能。故将飞机外部总体形态布局与位置安排称作气动布局。简单地说，气动布局就是指飞机的各翼面，如主翼、尾翼等是如何放置的，气动布局主要决定飞机的机动性，至于发动机、座舱以及武器等放在哪里的问题，则笼统地称为飞机的总体布局。

飞机的设计任务不同，机动性要求也不一样，这必然导致气动布局形态各异。现代作战飞机的气动外形有很多种，平直机翼布局、后掠翼布局、变后掠翼布局、无尾翼布局、鸭式布局、三翼面布局、前掠翼布局等。而以巡航姿态为主的运输机等大型飞机，其气动布局就相对比较单一，主要以常规布局为主

关键词：翼型；尾翼；气动外形；空气动力

目录

引言 (1)

一、现代飞机常见气动外形 (2)

（一）作战飞机气动外形 (2)

（二）非作战飞机气动外形 (7)

二、国内飞机常见气动外形 (7)

（一）作战飞机气动外形 (7)

（二）非作战飞机气动外形 (9)

三、飞机气动外形发展 (11)

（一）作战飞机气动外形的发展 (11)

（二）非作战飞机气动外形的发展 (11)

四、我国大飞机气动布局设计的发展建议 (15)

致谢 (17)

参考文献 (18)

引言

自从莱特兄弟发明第一架飞机以来，航空科技一直伴随着科技革命的推进迅速发展，由于该行业属于技术密集型，因此也使得航空科技一直云集着该时代最先进的科技成果，和众多的行业精英。因此航空技术往往代表着一个时代的科技水平，也促进和引领着科技进步。而一个时代的航空科技水平则主要体现在该时期的航空器上，飞机作为数量最多、最为常见的航空器，当然代表着一个时代航空科技的水平。而一个时代飞机的技术水准，则直观的体现在飞机的气动外形上。从飞机的气动外形我们就可以看出：这个时代航空科技的总体水平，这个时代的设计理念，甚至这个时代的军事政治战略格局等等。因此，研究飞机的气动外形及其发展，对于我们学习航空科技进而了解世界科技、历史、军事、政治等方面知识有着深远的意义。

一现代飞机常见气动外形

（一）、作战飞机气动外形

作战飞机由于不同作战任务的需要，往往要求其具有：高速度、高升限、高机动性、大过载量等空战所需的性能，因此作战飞机“家族”拥有者丰富多样的气动外形种类。常见的气动外形种类就有：平直机翼布局、后掠翼布局、变后掠翼布局、无尾翼布局、鸭式布局、三翼面布局、前掠翼布局等。

平直机翼布局

自从第一架飞机发明以来，飞机设计师们通常将飞机的机翼垂直的布置在机身中部，水平尾翼和垂直尾翼都放在机翼后面的飞机尾部。这种布局一直沿用到现在，称之为“平直机翼布局”。这种布局的作战飞机在早期非常常见，如二战期间著名的：日本“零式”战斗机，曾在太平洋战场辉煌一时，然而随着飞机速度的加快，“平直机翼布局”以经不能满足更高速度的要求而逐步走向衰落，当然现在也不是没有这种布局的飞机，一些螺旋桨运输机如：美国的C-130“大力神”、我国的运-8“幼狐”等任然采用“平直机翼布局”，甚至一些战斗机也在采用如：美国的A-10“雷电”攻击机也在采用这种布局。不难看出这些飞机都是一些适宜低速飞行的飞机，也正是由于低速飞行的运输、作战需要才使得这种早期的气动布局得以保留至今。

后掠翼布局

所谓“后掠翼布局”其实只是在“平直机翼布局”的基础上使机翼与机身之间有一个后掠角，这种设计使得飞机能够适应更高速度的飞行。由于后掠翼能够延缓机翼上的气流分离，而使飞机不至于过早失速，因此后掠翼的飞机能够突破平直机翼布局飞机的速度瓶颈，正是由于后掠翼飞机的出现，才使得人类突破了声速。因而早期的超音速飞机大都采用的是后掠翼布局如：美国的F-86“佩刀”、前苏联的米格-15“柴捆”、米格-19“农夫”等等，而前两者在朝鲜

战场上的较量也一直是世界空战史上著名的一页。值得一提的是，现役作战飞机中仍有不少采用后掠翼布局如：美国引以为豪的主要空中核威慑力量B-52“空中堡垒”远程战略轰炸机，俄罗斯的图-95“熊式”战略轰炸机等等。

然而，后掠翼虽然高速飞行时气动性能较佳，但其在低速的气动性能却远远不及平直机翼布局飞机，尤其是在起飞和着陆时。

变后掠翼布局

为了获取后掠翼飞机的高速性能，同时兼顾平直机翼飞机的低速性能，人们研制出了“变后掠翼”飞机，这种飞机在低速时机翼前段调至与机身垂直，而在高速时则调至后掠，因而解决了后掠翼在低速时与平直翼在高速时的问题，在此期间研制的著名战机就有：前苏联的图-22M“逆火式”变后掠翼远程超音速战略轰炸机、图-160“白天鹅”变后掠翼远程超音速战略轰炸机、苏-24战斗轰炸机，以及美国的B-1B“枪骑兵”变后掠翼远程超音速战略轰炸机、F-14“雄猫”变后掠翼重型舰载战斗机等等。毋庸置疑变后掠翼战斗机引领了当是的科技浪潮，同时也体现出冷战时期的战略格局，以及当时两个超级大国的战略方针——超低空突防，也正是这种背景下才有了那几种著名的变后掠翼超音速战略轰炸机。

变后掠布局较好的兼顾了飞机分别在高速和低速状态下对气动外形的要求，在六七十年代曾得到广泛应用，但由于变后掠结构所带来的结构复杂性、结构重量的激增，再加上其它一些更为简单有效的协调飞机高低速之间矛盾的措施的使用，在新发展的飞机中实际上已经很少有采用这种布局形式的例子了。

无尾翼布局

无平尾、无垂尾和飞翼布局也可以统称为无尾布局。典型无尾翼布局飞机如：法国的幻影-2000（无平尾布局）战斗机、美国的B-2（飞翼布局）隐形轰炸机。对于无平尾布局，其基本优点为超音速阻力小和飞机重量较轻，但其起降性能及其它一些性能不佳，然而，随着隐身成为现代军用飞机的主要要求之一以及新一代战斗机对超音速巡航能力的要求，使得无尾——特别是无垂尾形式的战斗机方案越来越受到更多的重视。

对于一架战斗机而言，实现无尾布局将带来诸多优点。首先是飞机重量显著减少；其次，因为取消尾部使全机质量更趋合理地沿机翼翼展分布，从而可以减小机翼弯曲载荷，使结构重量进一步减轻；另外，尾翼的取消可以明显减小飞机的气动阻力，同常规布局相比，其型阻可减小60%以上；不言而喻，取消尾翼之后将使飞机的目标特征尺寸大为减小，隐身性能得到极大提高；最后尾翼的取消同时减少了操纵面、作动器和液压系统，从而也改善了维修性和具有了更低的全寿命周期成本。

在有垂尾的常规飞机上，垂尾的作用是提供偏航/滚转稳定性，尤其是偏航稳定性，此外垂尾的方向舵还参与飞机的偏航控制。取消垂尾之后，飞机将变为航向静不稳定，同时丧失偏航控制能力。采用放宽静稳技术之后，无垂尾飞机可以是航向静不稳的，但不能是不可控的。针对这一问题可以采用推力矢量技术加以解决。推力矢量技术作为新一代战斗机高机动性的主要动力目前已经得到了较为完善的发展，大量实验都证明，在无垂尾的情况下，推力矢量具有足够有效的操纵功能。

一个不容忽视的问题是，推力矢量系统发生故障或者在作战中受伤后飞机如何操纵。在最低的要求下，推力矢量系统失效后飞机至少还应具有安全返航的能力，因此无垂尾飞机的平飞、不太剧烈的转弯机动以及着陆所需的偏航控制能力应该能够由气动力控制来满足。作为无尾飞机的余度保险操纵方式之一的是与传统机翼设计方法完全不同的所谓“主动气动弹性机翼”（AAW）。在传统机翼设计中，一般都要保证刚度以使机翼变形最小，而AAW利用机翼的柔度作为一种对飞机进行操纵的方式，它通过使整个机翼发生一定的变形而得到操纵飞机所需的气动力。通常规舵面相比，AAW具有效率高而翼面变形小的特点。除了AAW技术之外，还有其它一些传统非传统的气动操纵方式也可以推力矢量系统的余度保险和补充。它们包括开裂式副翼、机翼扰流板、全动翼梢、差动前翼、非对称机头边条、扰流片-开缝-折流板（SSD）、前缘襟翼等等。

无论是采用AAW还是采用气动操纵面的方式，无尾飞机都需要有全新的飞行控制律。无尾飞机在纵向和航向都将是静不稳定的，这就要求飞机上的各类操纵装置共同协作产生所需的各种力和力矩，各操纵装置还将存在各种线性或非

线性的相互干扰，使得控制律变得相当复杂。此外在部分操纵装置失效的情况

下，剩下的操纵装置需要实时重新构型，并且需要实时地采用新的控制律，即

所谓“重构系统”。这些都是无尾飞机设计中需要加以解决的问题。

鸭式布局

鸭式布局，是一种十分适合于超音速空战的气动布局。早在二战前，前苏

联已经发现如果将水平尾翼移到主翼之前的机头两侧，就可以用较小的翼面来

达到同样的操纵效能，而且前翼和机翼可以同时产生升力，而不像水平尾翼那

样，平衡俯仰力矩多数情况下会产生负升力。早期的鸭式布局飞起来像一只鸭

子，“鸭式布局”由此得名。

采用鸭式布局的飞机的前翼称为“鸭翼”。战机的鸭翼有两种，一种是不能

操纵的，其功能是当飞机处在大迎角状态时加强机翼的前缘涡流，改善飞机大

迎角状态的性能，也于飞机的短矩起降。真正有可操纵鸭翼的战机目前有欧洲

的EF －2000“台风”、法国的“阵风”、瑞典的JAS －39“鹰狮”等，还有如今

我国先进三代歼击机歼-10。这些飞机的鸭翼除了用以产生涡流外，还用于改善

跨音速过程中安定性骤降的问题，同时也可减少配平阻力、有利于超音速空战。在降落时，鸭翼还可偏转一个很大的负角，起减速板的作用。

三翼面布局

在常规布局的飞机主翼前机身两侧增加一对鸭翼的布局称为“三翼面布

局”。三翼面布局形式可以说最早出现在六十年代初，米高扬设计局由米格-21

改型而得的Е-6Т3和Е-8试验机。三翼面的采用使得飞机机动性得到提高，

而且宜于实现直接力控制达到对飞行轨迹的精确控制，同时使飞机在载荷分配

上也更趋合理。俄罗斯的苏-33“海侧卫”、苏－34“鸭嘴兽”、苏－37

“超侧

卫”、和苏-47“金雕”等都采用这种布局。美国在F－18上也试过这种布局，但没有发展为生产型号。

三翼面布局的前翼所起的作用与鸭式布局的前翼相同，使飞机跨音速和超音速飞行时的机动性较好。但目前这种布局的飞机大多是用常规布局的飞机改装成的。三翼面布局的缺点是增加了鸭翼，阻力和重量自然也会增大，电传操纵系统也会复杂一些。不过这种布局对改进常规布局战机的机动性会有较好的效果，如：俄罗斯著名的苏-27战斗机可以做出“普加乔夫眼镜蛇机动动作”苏-37在气动外形上只比苏-27增加了一对鸭翼，则可以轻易做出“眼镜蛇机动动作”甚至是“钟摆动作”。

前掠翼布局

前掠翼与后掠翼正好相反，梢弦在根弦的前面，前掠翼是和后掠翼同时提出的，两者推迟激波产生的原理是完全相同的。前掠翼技术可使飞机在亚音速飞行时具有非常好的气动性能，从而大大提高其在仰角状态下的机动性。若前掠翼布局与推力矢量控制系统综合使用，还可使其在空战中更具优势，其近距空战机动能力将成倍地提高。

前掠翼的严重问题在结构方面，沿结构曲线方向的弯曲变形会使外翼沿气流方向增大迎角增加外翼部分升力，进一步增加机翼的弯曲变形。在足够大的速度下，这种现象会形成恶性循环，直到使机翼弯曲折断。这个现象称弯扭发散。开始弯扭发散的速度称弯扭发散（临界）速度。为了提高前掠翼的弯扭发散速度，需增加机翼抗弯刚度，这就会导致机翼结构重

量的增加，以致完全抵消采用前掠翼带来的好处。这是前掠翼飞机很少被采用的主要原因。俄罗斯苏霍伊设计局的苏-47“金雕”、美国的X-29验证机采用的就是前掠翼布局。

（二）、非作战飞机气动外形

非作战飞机其主要用途是民航运输、太空观测、农林业作业等等，其功能决定了非作战飞机主要在亚音速或低速下飞行。因此非作战飞机的气动外形特点相对作战飞机而言比较单一，以：平直机翼布局、后掠翼布局为主也有少量无尾翼（无平尾）布局，如：英法合作的“协和号”超音速客机和前苏联的图-144超音速客机等。显然，民航运输、太空观测、农林作业等任务需求一般都不会以高速飞行来完成，因此这一类非作战飞机的气动外形特点共同点比较多，一般为：平直机翼或后掠翼、低平尾或高平尾（T型尾翼）、单垂尾等等。如：现代民航运输中应用最广的，美国波音公司生产的B737系列运输机和欧洲空客公司生产的A320系列运输机，就代表着最常见的非作战飞机气动布局，它们都有着：后掠翼、低平尾、单垂尾的气动布局。

据了解，随着二十一世纪最先进的两种民航运输机A380和B787的服役，或许这种最为常见的飞机气动布局形式也将走向尽头，各国都已经开始研制具有全新气动布局的下一代民用运输机。

二国内飞机的常见气动外形

（一）、国内作战飞机常见气动外形

我国航空工业虽然起步较晚，但却随着新中国的诞生和壮大而迅猛发展，在建国不久我国战斗机就进入了喷气时代，进入超音速时代则是在上世纪六十年代。进入二十一世纪后，随着国产先进三代战机的服役列装，研制中的第四

代隐形战机进入试飞，我国空军从无到有、由弱到强，军用飞机从缴获进口、到自主研发，走过了螺旋桨时代、喷气时代、超音速时代......而即将进入隐形时代。回顾那些守护着我们这片蓝天的“功臣”，我们无不感到骄傲，了解过它们的成长历程，我们更会感慨祖国和人民军队的壮大。

早在新中国成立前，我军就曾缴获过军用飞机，不过那时候数量少、型号杂而且缺乏相关人员和保障，因此鲜有使用。到新中国成立时，我人民解放军空军已经驾驶着当时的先进战机，列队飞过天安门上空接受党和人民的检阅。这种战机是在解放战争中缴获国民党的美制P-51“野马式”战斗机，这种战机是早期的螺旋桨式平直机翼布局，但也就是它们奠定了人民空军的基础。建国后不久朝鲜战争爆发，新中国受到了帝国主义的威胁，成立不久的人民空军，被迫与美国空军在朝鲜半岛上空进行殊死较量，而参加这场空战的主角还有之前提到的，前苏制米格-15和美制F-86战机，而我英勇无畏的人民空军却赢得了这场原本实力悬殊的战争。随着朝鲜战争的结束，我国航空工业也开始迅速发展，五十年代后期，仿自前苏联米格-17制造的喷气式战斗机歼-5开始在我国批量生产，之后相继仿制了歼-6、歼-7，并自行改进设计了强-5。随着经验、技术的积累,七十年代，在歼-7的基础上我国自行设计研制了歼-8，虽然歼-8的原型歼-7仍是仿制，但歼-8的设计生产已经拉开了我国自主研制战机的序幕。在新机研制的同时，原有机型的改进设计一直没有停止，形成了歼-6系列、歼-7系列、歼-8系列等战斗机家族。

在国产战机家族中，歼-5仿自前苏联的米格-17，这是一种单发、后掠翼的喷气式战机；歼-6仿自前苏联的米格-19，它则是双发、后掠翼喷气式战机，歼-5、歼-6在气动布局上有许多相似点，或者说米格-19是米格-17的双发放大版，并在平尾上将米格-17的高平尾（T型尾翼）改为米格-19的低平尾；歼-7战斗机仿自前苏联的米格-21，是为了适应当时高空、高速的空战需要，作为一种单发轻型战斗机，歼-7采用了先进的三角翼和全动平尾，使得战机整体气动性能和机动性有了显著提高；随着时代的发展原有的歼-7战斗机也逐渐暴露出自身载油量小、航程短、载弹量不足等缺陷，因此歼-8战机应用而生，歼-8战机继承了歼-7的气动外形特点，增加了一台发动机，各项配置也明显升级，

既兼顾了歼-7的机动性和高空、高速性，也拥有了更大的载弹量和作战半径，为我国国土防空做出了不可磨灭的贡献。而在这些机型的改进型中，值得注意的是歼-7E和歼-8Ⅱ，这两种改型都使原有战机性能有了重大提升。歼-7E在气动外形上采用更加先进的“双三角翼”，同时在飞机操纵系统上也使用了模拟电传式操纵系统，这些改进升级使得歼-7E受到国内外用户的欢迎，成功出口到了许多国家；歼-8Ⅱ则是在歼-8的基础上，将机头进气改为两侧进气，使机头有了更大的空间来装载更先进的机载雷达，同时又加装了空中受油装置，进一步增加它的作战半径。

进入二十一世纪，我国自行设计制造的先进第三代战机歼-10的服役列装，大大加强了我国空军的空战力量，也成为了我国航空工业的骄傲。歼-10战机采用了先进的鸭式布局，它是一种单发、单座的全天候、多用途战机，具有小展弦比下单翼和全动鸭式前翼，这种气动设计使得歼-10具有：高机动性、大爬升率、和其他更加先进的气动性能。除了自行研制的歼-10外，我国还改进设计了歼-11系列战机，歼-11是在俄罗斯著名飞机设计局——苏霍伊设计局研制的苏-27基础上改进生产的，不仅具备苏-27堪称完美的气动设计，还使之具有了更加先进的机载火控系统，和国产先进武器。歼-11在气动设计上采用三代机典型的，翼身融合技术、大边条翼、双垂尾、蝶形全动尾翼等，这种设计使得该战斗机能够做出“普加乔夫眼镜蛇机动动作”等高难度过失速机动动作。

随着下一代隐身战机的试飞，下一代战机将会是什么样子，引来了众多的争议，虽然有许多网上曝光的图片，但那毕竟只是测试阶段的试验机，距离定型列装还有不少距离，不过我们可以推断第四代战机的典型特点，都会体现在它身上，如：低雷达探测性、超音速巡航、超机动性等等特性。但其究竟会是什么样的，我们还将拭目以待。

（二）、国内非作战飞机常见气动外形

与作战飞机的发展类似，我国非作战飞机的发展也有相似的经历。如：五十年代仿自前苏联安-2生产的运-5，仿自前苏联安-24生产的运-7，仿自前苏联安-12生产的运-8等。除了这些防制和改进生产以外，我国还曾在六七十年代自行设计了大型喷气式运输机运-10，二十一世纪以来设计生产的先进涡扇支线客机ARJ-21，以及最近在各国航展上亮相的国产大飞机C-919。回顾我国民用飞机的发展历程，有成功更有着诸多的经验教训值得我们总结和铭记。特别是运-10的下马，以及后面几次大飞机研制的中途流产使得我们积累了许多经验教训。痛定思痛之后我们总结经验教训，重新开始一步一个脚印才有了现在的新洲-60系列涡桨支线客机、ARJ-21先进涡扇支线客机以及C-919大客机。

运-5是上世纪五十年代，仿制前苏联安东诺夫设计局研制的安-2运输机，该机配备单台活塞式螺旋桨发动机，机翼是平直翼双翼面，起落架为不可收放的后三点式，以一种用途广泛的通用运输机，目前仍有其改进型生产；运-7是仿自前苏联安-24生产的多用途运输机，该机装备两台涡轮螺旋桨发动机，采用平直型上单翼。值得一提的是该机又西安飞机制造有限公司，改进后生产的新洲-60系列直线客机，不仅在国内广泛使用也远销海外，成为国产民用运输机成功的范例；运-8仿自前苏联的安-12，是一种四发涡轮螺旋桨中型多用途运输机，该机也采用平直型上单翼，目前其制造单位陕西飞机制造有限公司，在其基础上改进设计的运-8F200系列在民航货、邮运方面有着广阔的市场前景；运-10是上世纪六七十年代，由我国自行设计的大型四发远程喷气式运输机，该机在设计上类似于美国波音公司生产的B707，采用了带上反角下单翼，并装备四台喷气式发动机，在国内当时是相当先进的，然而运-10的设计却没有遵循市场规律，以至于设计出来的飞机没有用户购买，因而中途流产，令人扼腕；ARJ-21是中国商用飞机制造公司（原中航工业第一集团公司）研制生产的先进涡扇支线客机，也是完全按照市场规律运作的产品。该机采用下单翼、T型尾翼布局，装备两台涡轮风扇发动机，其性能达到国际先进水平。正是由于有了这样的基础，才有了航展上亮相的，令国人骄傲的国产大飞机C-919，虽然该机还处没有交付使用，但是其成功却是可以预见的，中国航空工业的骄人实力和多年来的积累一定能够生产出令用户满意的产品。

三飞机气动外形的发展

（一）、作战飞机气动外形的发展

未来作战飞机除了具备近代先进战斗机的中低空机动性外，还要具备超音速巡航能力，以及过失速等非常规机动能力；同时隐身特性也是一个需要重点考虑的因素。因此，未来战斗机气动外形，要在满足外形隐身约束条件下的前提下，尽可能降低其超音速阻力改善最大升力特性和大迎角下的稳定性，同时兼顾亚、跨声速升阻特性。

面对如此诸多的设计点，对气动力设计提出新的挑战。因而必须采用新的气动力概念和措施，以及配套总体与控制措施，在众多的设计点之间权衡、折衷、取舍，才能获取解决的方案。

（二）、非作战飞机气动外形的发展

非作战飞机的气动布局设计实质上是飞机空气动力的总体设计，其科学依据主要是空气动力学，这自然是飞机设计的核心内容，对于实现未来客机的设计目标起着关键作用，但只通过气动布局设计是远不能解决所有问题的，还需要有先进推进、材料、工艺等技术的支撑。发动机是飞机的关键，发动机效率的提高直接带来油耗、废气排放、噪声方面的收益；轻质高效新材料的使用可减轻飞机结构重量，降低客机巡航飞行时的需用推力；新的结构设计和制造工艺可减少飞机结构零件和连接、紧固件数量，除降低结构重量外，还可极大改善飞机的可维护性。

现役大型客机以及几乎全部支线客机都采用正常式布局，自然想到在现有先进客机上改进设计能否满足未来25 年左右的设计要求。按照NASA（美国航空航天局）的设计目标，波音公司领导的团队以波音737 为原准机进行改

进设计，正常布局的原准飞机使用超临界翼型，巡航升阻比18.2。在原准设计上综合使用自然和主动层流控制、机身使用脊状表面减阻、尾翼放宽静稳定性和增加最大升力系数、使用多功能结构/ 减少紧固件/ 减少襟翼整流罩等技术降低杂项阻力，巡航升阻比增加到20.9，但巡航马赫数M a 降低了6% ，为0.74，在此基础上综合使用先进复合材料结构、高涵道比低排放涡扇发动机、轻质涂层和舱内设施轻质化等技术得到飞机精细设计方案，使飞机油耗降低44%、噪声降16dB、氮氧化物排放减少58%，该方案极大改善了飞机性能，但离设计目标有较大距离。

降低油耗的实质是减小飞机阻力，波音团队采用大展弦比机翼来提高正常式布局飞机的气动效率，得到了支撑式上单翼方案。该设计方案继续使用层流控制、机身和机翼湍流部分的脊状表面、先进超临界翼型、低干涉发动机吊舱和低阻支撑等技术，使Ma 0.74下巡航升阻比达到25.97，配装使用先进发动机技术的非常高涵道比涡扇发动机，可降低油耗46%、噪声22dB、废气排放72%。但由于翼展过长，考虑机场适应性和减重使用了斜支撑和机翼折叠，带来折叠机构的复杂性和整个机翼结构重量的不确定性。

诺斯罗普·格鲁门公司领导的团队以波音737-500 为参照，开展了一系列研究工作。在气动布局形式选择方面，该团队经过若干布局上的创新设计，最后的首选方案回到了正常式布局。该方案主要使用层流控制、起落架整流罩（也有降噪功能）等气动设计技术。与波音737-500相比，机翼后掠角加大1°、展弦比增加61%、翼载荷减少29%，巡航升阻比接近20，但巡航高度增加到13700m。由于罗·罗公司是团队成员，该方案重点使用了三转子超高涵道比（18）涡扇发动机以及后掠风扇叶片、压气机流动控制、形状记忆合金喷口等相关先进技术。此外，该方案使用了大型一体化编织和缝合复合材料结构、超高性能纤维、主动气弹控制、进气道隔声衬套、碳纳米管电缆等先进技术，达到了降低噪声69.6dB、油耗63.5%、废气排放90.6% 的性能指标，同时可使用1500m 的备用机场跑道，基本上达到了NASA 的设计目标，不过该方案中高性能发动机是重点，飞机出厂价格可能相当昂贵。

麻省理工学院领导的团队以波音737-800 为基准，开展了正常式布局的创新设计，气动布局主要特征为“双气泡”形宽体机身、带自然层流控制的大展弦比小后掠下单翼、双立尾顶端的高平尾、具有附面层吸出功能带隔声衬套的后置涡扇发动机，采用主动载荷减缓和起落架整流等气动技术。此外，该方案使用3 台涵道比20 的发动机、先进结构材料和结构减重设计、健康和飞行监视等技术，降低油耗70%、氮氧化物排放87%、噪声60dB，可在1500m 跑道起降，几乎达到了NASA 的设计目标。该方案创新性强，较传统正常式布局有独到之处，但其高涵道比要求发动机有更小尺寸和更高效率的核心机，可行性受到质疑。

2 翼身融合布局

高升阻比是翼身融合布局的最大优势，这是一种广义的飞翼布局形式。随着NASA 和波音公司X-48翼身融合试验无人机项目研究工作的开展，翼身融合布局受到了全球广泛关注。按照NASA 的N+3 代客机设计目标，波音公司团队也进行翼身融合布局方案设计。该方案主要采用机翼和垂尾的层流控制、机身和机翼湍流部分的脊状表面、降低杂项阻力和低干涉吊舱等气动设计技术，M a0.74 巡航马赫数下的升阻比达到26.6，高于正常式布局方案，加之非常高涵道比涡扇发动机、先进结构材料和工艺、噪声屏蔽设计等技术的应用，波音翼身融合布局方案降低油耗43.3%、排放72%、噪声37dB。但该布局存在客舱容量小、应急逃生通道安排困难、满足机场适用性采取的机翼折叠等问题。

麻省理工学院团队按照NASA设计目标，以350 座级的波音777-200 加长型为参照，完成了翼身融合布局方案设计。该方案采用无立尾带翼梢小翼的翼身融合布局形式，气动上采用前缘带弯度的升力体机身、无前缘缝翼和襟翼的机翼、发动机嵌入机身上表面后部以吸入机体部分40% 弦长的附面层并屏蔽发动机噪声、带整流罩的起落架等布局和技术方案，0.83 马赫数下的巡航升阻比达到24.2。加之平齐安装涵道比20 的高性能涡扇发动机，隔声衬套、可变喷口面积、推力矢量以及先进结构材料和设计技术的应用，使该方案降低油

耗54%、氮氧化物排放81%、噪声46dB。该方案的问题仍然是小尺寸高效率发动机核心机。

3 其他布局

飞机气动布局设计受设计单位的技术基础和传统文化的影响，如法国达索飞机公司偏爱无尾布局、波音公司的飞机几乎清一色采用正常式布局（X-45、X-48 采用飞翼布局除外），企业的文化氛围有时候会限制设计上的创新。由于诺斯罗普·格鲁门公司领导的团队没有客机设计和研制背景，在N+3 代客机的概念设计中，尝试了若干新型布局形式，虽然最后的首选方案回到了正常布局，但它们的非常规布局研究值得关注和借鉴。

（1）嵌入式发动机的三翼面布局。这种气动布局形式除三翼面布局的特点外，具有噪声屏蔽、降低发动机吊舱阻力和减少浸湿面积、可能部分吸入机身附面层的优点，但存在推力损失和机翼结构复杂等挑战。

（2）连翼布局。这是一种非常规布局形式，具有小结构重量、低机身阻力、良好的跨声速气动性能，不足之处是由于浸湿面积增大和部件之间的干扰使飞机零升阻力增加、发动机和翼面布置不能对发动机噪声产生遮挡效应。

（3）鸭式布局。除具备鸭式布局的固有特点外，附加升力面使飞机诱导阻力增大，同时飞机稳定性和操纵性方面也面临新的挑战。

（4）用桨扇发动机的槽形翼三翼面布局。这是一种新概念布局形式，优点是经济性好、可有效降低起飞着陆滑跑距离，缺点是机翼浸湿面积和重量增加、机翼结构制造和集成困难。

（5）小展弦比全翼展承载体布局。一种全新的气动布局形式，优点是诱导阻力相对小、旅客登机和下机效率更高、可使用分布式推进系统，缺点是全机

阻力大、发动机噪声难于控制。

（6）嵌入式发动机的翼身融合布局。优点是噪声屏蔽、减阻和部分机身附面层吸入，缺点是机舱空间小、推进效率降低、总体集成困难。

通过以上分析，由于各自的优缺点，每一种创新气动布局都难以同时满足NASA 未来N+3 代客机的设计目标。

四我国大飞机气动布局设计的发展建议

我国航空工业的长足进步和迅猛发展举世瞩目，然而不可否认的是，在大飞机的研制上还是远远落后于世界先进水平，载重40吨以上的军用运输机、150座以上的客机以及大型远程宽体客机目前都还处于空白阶段。

中国商用飞机有限责任公司的C919 客机已完成气动布局设计，采用正常式布局，在翼型、翼梢、发动机短舱、前机身等方面使用了先进的空气动力和声学设计技术，气动性能指标比现役同级别飞机有所提高。由以上讨论可以看出，要以现有成熟技术与未来可预知技术使大型客机同时满足未来25 年左右的设计目标是非常困难的，必须以发展、前瞻的眼光来看待未来客机的创新问题，为提高我国未来大型客机的设计水平及其市场竞争力，在飞机气动布局设计方面应注意以下工作：

（1）加强对正常布局客机的挖潜研究、重点进行后掠机翼的层流控制、先进翼型、稳定环量控制等方面的深入研究，同时开展分布式喷口和襟翼、可收放狭板旋涡发生器、起落架整流、逆流喷口、高效进气道、隔声衬套等新技术的研究工作。

（2）重视翼身融合等新概念气动布局形式的预先研究，梳理各种非常规气动布局形式的优势和不足，探讨未来大型客机的正确发展方向。

（3）气动布局设计仅是实现未来客机设计目标的关键一环，还须加强配套技术的研究和发展。高效率发动机是满足未来客机设计要求的核心，必须高度重视和加大科研投入。此外，先进结构材料、制造工艺、先进电缆、健康检测等技术也应得到重点研究。

致谢

本文是在程党根老师的悉心指导下完成的，对此特向他表示衷心的感谢。

参考文献

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[2]陈烈民航天器结构与机构。中国科学技术出版社07年出版

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