飞翼三部曲之二：为什么只有美国装备了飞翼机？

作者：张亦驰

尽管很多航空强国都在研究飞翼，但迄今为止，也只有美国空军真正装备了大型的飞翼布局的飞机，比如B-2轰炸机，RQ-170无人侦察机。其他国家的飞翼机基本处于研制验证阶段，尚未服役。当然，也有将英国的“火神”轰炸机归为飞翼机，但它不太纯粹，机身仍然较为明显，还有垂直尾翼。除了缺乏资金，起步较晚、装备发展战略等原因外，一个主要的原因在于飞翼机一个技术上的难题。

 YB-49使用了小型垂尾，但是航向稳定性仍然不佳。

其实，飞翼的优势早就被人们注意到了。1928年，诺斯罗普设计了美国第一架飞翼布局飞机，从1928 年到1955年间，诺斯罗普和他创建的公司陆续制造了一系列飞翼飞机，其中包括N-1M、N-9M、JB-1、JB- 10、XP-56、XP-79、XB-35、YB-35和YB-49等。但最后都无果而终。因为在当时的条件下，很难解决飞翼的控制问题，YB-49的试飞员就抱怨飞机很不稳定、难以控制，无法保持一条稳定的航线。

飞翼由于取消了垂尾（YB-49实际上还有小型的垂尾），航向稳定性较差，基本处于中立状态，航向上控制比较难。因此，飞翼首先要解决的是航向控制问题。

飞机三个轴向上的稳定性。纵向稳定性是俯仰轴上的，偏航稳定性也叫侧向稳定性是偏航轴的，横向稳定性为滚动轴上的。图片来自网络，版权归制作者所有。

这里首先要说说稳定性的问题。所谓稳定性，就是当飞机受到扰动后，仍然能够保持原飞行状态的趋势。飞机的稳定性通常可以分为3个轴来说：纵向稳定性、横向稳定性和侧向稳定性。纵向稳定性也就是在俯仰方向上的稳定性。横向稳定性则是滚转方向上的，侧向稳定性又称航向稳定性。而侧向稳定性和横向稳定性往往相互干扰，相互耦合，所以经常谈到横侧向稳定性。

航向稳定性示意图。

我们先来看看最常提到的纵向稳定性。纵向稳定性，又叫俯仰稳定性，是指飞机受扰动后绕横轴保持稳定的趋势。飞机在受到扰动而产生俯仰运动时，会自动产生抑制俯仰运动的力，该力使飞机恢复到原来的飞行姿态。

对于纵向上稳定的飞机来说，也就是重心位于焦点之前的飞机，如果受到由下方向上的扰动气流，会导致飞机迎角增大，由于迎角增大，飞机升力增大，也就是说作用于气动焦点的里增大，便会相对于重心产生一个低头力矩，促使飞机回到原来的状态。反之亦然。如果是纵向静不稳定的飞机，重心在后，焦点在前，遭到由下向上的气流扰动时，会进一步增大抬头力矩，于是飞机就是不稳定的。

B-2右侧的阻力式方向舵已经打开。飞翼布局需要解决控制上的解耦问题。因为其控制面都位于后缘，一个控制面偏转，可能同时导致纵向、横向和侧向稳定性和配平问题。

横向和航向稳定性与之同理。常规布局飞机的纵向稳定性主要是靠水平尾翼起作用，鸭式布局则依靠鸭翼进行配平，无尾飞机则依靠机翼后缘襟副翼产生俯仰力矩。飞机的横向稳定性则依靠副翼或者襟副翼控制，而航向稳定性由垂直尾翼、尾鳍保证，航向由方向舵控制。

为确保起降阶段的航向稳定性，B-2的大型起落架舱门起到了腹鳍的作用。

飞翼在航向上是中立的，也就是说受到扰动后无法产生回转力矩。为了解决飞翼的航向稳定性和航向控制问题，人们找到了很多控制措施。最常见的当属开裂式阻力方向舵。它位于机翼外段后缘，通过位于机翼上下表面的两个阻力片同时开启，增加飞机一侧的阻力，进而让其向该侧产生偏航力矩。不过，开裂式方向舵在小偏角下的偏航操纵效率较低，为保证其能够迅速产生足够的操纵效率，其往往预置一个小的偏角。当两侧的阻力方向舵同时小偏角对称张开时，还能在一定程度上增加飞机的纵向静稳定性，而两侧的开裂式方向舵同时大偏角打开，还能起到减速板的作用。但是这会削弱飞机的隐身效果。因此在处于隐身突防阶段时，开裂式方向舵尽量不张开。B-2就在机翼外段后缘安装了诺斯罗普专利减速板-方向舵负责偏航控制。即便使用了开裂式方向舵，B-2为确保起降阶段的航向稳定性也使用了额外的设计，主起落架舱门打开时，相当于一对腹鳍，以增加航向稳定性。

即便是使用开裂式阻力方向舵，飞行中要保持航向稳定仍然需要频繁地调整。但是这是靠人工无法完成的。这也是传统飞翼一直得不到应用的主要原因。这就必须依靠计算机控制的电传操纵系统。这一点和放宽纵向稳定性的三代机类似，很多三代机纵向稳定性很小，或处于中立状态，甚至是静不稳定的，那就必须依靠电传操纵系统。

幻影2000这种无尾飞机主要依靠机翼后缘襟副翼进行配平。

航向稳定性解决了，再来看看纵向稳定性和配平的问题。传统飞机中，平尾负责纵向配平，当然，鸭式布局的飞机则依靠鸭翼和后缘襟副翼配平。而飞翼并无平尾，那靠什么进行纵向配平呢。这个问题也不难，毕竟之前已经有无尾战斗机成功解决配平问题。法国的“幻影3”“幻影2000”等无尾三角翼布局飞机，它们依靠机翼后缘襟副翼或者升降副翼配平。但是襟翼副配平的问题在于距离重心位置较近， 配平力臂小。为了进一步提高配平力臂，上述三角翼飞机都采用大后掠角设计，一进一步增大弦长，进而拉大了机翼后缘距离重心的距离，即便如此，配平时的舵偏角较大，导致配平阻力较大。

而传统飞翼的后掠角较小，后缘距离重心较近， 配平控制力矩比较小，这就对纵向配平提出了更高的要求。为此B-2轰炸机通过W型的尾部，有意增大了舵面距离重心的距离，一定程度上弥补了纵向配平力矩不足的问题。

解耦，是飞翼控制的终极难题。为了降低控制上的困难，增大装载容量，美国在发展隐身加油机的时候，提出了上述两种略有不同但理念相同的概念方案（上图为机翼下方进气，下图为背负式进气道）。它们可以认为是飞翼的进一步变形，加装了V型尾翼，机身向后延伸，便于增加密度较小的燃油装载体积。但是会削弱飞翼的一些固有优势。

由于飞翼纵向和航向配平都依靠机翼后缘装置进行，这很容易导致多个方向发生耦合。这些舵面都布置在飞翼后缘，它们往往并不是单独工作、单独发挥作用的。有时候一个舵面要同时担负多个舵面的作用，比如，它可能既是升降舵又是副翼，既是方向舵，也要当减速板。有的舵面的一个动作，可能都会带来纵向、航向和横向三个方向的耦合。这就需要在控制系统中“解耦”，这就涉及到复杂的控制问题了。因此说，飞翼最关键的是解决控制问题，这既有硬件上的创新，更多的是要解决软件和控制理论上的难题。