气动布局

飞机的气动布局

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。其中，最常采用的机翼在前，尾翼在后的气动布局又叫作常规气动布局。

气动布局形式是气动布局设计中首先需要考虑的问题。目前飞机设计中主要采用的包括以下几种：正常布局；鸭式布局；变后掠布局；三翼面布局；无平尾布局；无垂尾布局；飞翼布局。

正常布局是迄今为止被使用最多的一种布局形式，目前仍然被应用于各类飞机之上。

鸭式布局在早期未能得到足够的重视，但随着超音速时代的来临，鸭式布局的优点逐渐

为人们所认识。目前广泛应用于战斗机之上的近距鸭式布局利用鸭翼与机翼的前缘分离

涡之间相互有利干扰使涡系更加稳定，推迟了涡的破裂，为大迎角飞行提供了足够的涡

升力，显著的提高了战斗机的机动性。此外，采用ACT和静不稳定的鸭式布局的优点则更

为突出。

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。

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。

无平尾、无垂尾和飞翼布局也可以统称为无尾布局。对于无平尾布局，其基本优点为：

超音速阻力小和飞机中两较轻，但其起降性能及其它一些性能不佳，总之以常规观点而

言，无尾布局不能算是一种理想的选择。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。

导弹的气动布局

所谓导弹的气动布局，是指导弹各主要部件的气动外形及相对位置的设计和安排。也就是弹身外露部件（弹翼和舵面等）的型式以及沿弹身周向和轴向的布置。

一、弹翼沿弹身径向布置形式

主要分为下面几种：

1、平面型。从飞机发展而来。航向机动需要靠倾斜才能产生，响应慢，通常用于远距离飞行飞航导弹，例如战斧。

2、十字型与X型。特点是各个方向都能产生最大机动过载，且在任何方向产生升力都具有快速响应特性。但翼面多，阻力大，升阻特性不好。许多防空导弹都用这种布局，我国的PL系列空空导弹用的也都是这种布局。

3、背驼型。这种布置是为了安装外挂发动机。英国的警犬防空导弹采用这种形式。

4、环形翼。主要是为了克服鸭翼布局（见下文）的反滚动力矩，但是纵向性能差，阻力大。

5、改进环形翼。具有环形翼的优点，又可以克服它的缺点。

二、弹翼沿弹身纵向布置形式

主要分为

1、正常式。弹翼在弹身中段，舵面处于弹身尾端。且两组翼面通常为X-X型布局。在这种布局的基础上减小展弦比，增大后掠角，就出现了条形翼。

采用正常式布局的导弹很多，例如我国的YJ8系列，俄罗斯的“无风”则是条形翼。

这种布局响应慢，但是由于舵面靠后，离质心远，舵面可以做的比较小，另外气动特性线性度较高。

2、无翼式。这种布局通常应用于高速防空导弹。导弹一般具有细长弹身和X型舵面。俄罗斯的C300系列导弹和美国的“爱国者“防空导弹，采用了这种布局。

3、鸭式布局。和正常式相反，小舵面位于弹身前部，大弹翼位于弹身后部。

这种布局的优点有升阻比大，响应快，舵面效率高等。主要缺点是鸭式舵面很难作滚转控制。这主要是因为鸭式舵产生的涡在尾翼上诱导出的诱导滚动力矩的影响。解决的办法有采用环形尾翼、自由旋转尾翼等。

一般空空导弹采用鸭式布局较多，例如“响尾蛇”系列。

4、旋转弹翼布局。是鸭式布局的变形。弹翼位于导弹中部，但可以偏转，起到控制舵面作用，而尾翼固定，起稳定作用。对于正常式或者鸭式布局，都是通过偏转舵面，使弹体绕质心旋转，从而改变攻角产生升力。而旋转弹翼布局主要依靠弹翼偏转直接产生需要的升力。意大利的“斯帕达”防空导弹采用这种气动布局。

5、无尾式布局。顾名思义，就是没有尾翼，其实是将尾翼安装在弹翼后部，两者连为一体。美国的“霍克”防空导弹用的就是这种布局。

气动布局简介

想必很多人对飞机很感兴趣，因为飞机大多是很漂亮的，流线型的机身，舒展的机翼，实现了人类在蓝天翱翔的梦想。其实飞机外型的美观虽然是人类主动的设计创作，而实质却是受制于空气阻力的被动结果，从某种意义上讲，这种符合人类审美标准的流畅线条其实是空气动力原理的杰作。

大千世界千变万化，飞机也是形态各异，大的、小的、胖的、瘦的，四个翅膀的、两个翅膀的甚至还有一个翅膀的，打个比方，飞机的式样就像宠物狗一样，当真是品种丰富，血统复杂。俗话说外行看热闹，内行看门道，既然飞机的外观是空气动力原理决定的，那么这么多种飞机的形状在飞机设计中就有个称谓，叫做空气动力布局。下面我们就逐一介绍一下各种气动布局，当了解到气动布局这个概念后再回过头来看这些飞机，就会发现自己不会再看花眼了，其实全世界的飞机品种再多，也无非就以下这几种气动布局而已。

各种空气动力布局的主要差别就在于机翼位置上的差别，首先介绍一个最常见的布局——常规布局。这种布局的特点是有主机翼和水平尾翼，大的主机翼在前，小机翼也就是水平尾翼在后，有一个或者两个垂直尾翼。世界上绝大多数飞机属于这种气动布局，特别是客运、货运大型飞机，几乎全是这种布局，例如波音系列、欧洲的空中客车系列，我国的运七、运八、ARJ21，美国的C130等。我国的军用飞机中除了歼10猛龙战斗机以外，都是常规气动布局。

常规布局最大的优点是技术成熟，这是航空发展史上最早广泛使用的布局，理论研究已经非常完善，生产技术也成熟而又稳定，同其他气动布局相比各项性能比较均衡，所以目前无论是民用飞机还是军用飞机绝大多数使用这种气动布局。

常规气动布局机型——我国的ARJ21祥凤支线客机

常规气动布局机型——我国的FC-1枭龙歼击机

常规气动布局机型——我国的歼11B歼击机

常规布局中还有一个另类——变后掠翼布局，就是主翼的后掠角度可以改变，高速飞行可以加大

后掠角，相当于飞鸟收起翅膀，低速飞行时减小后掠角，展开翅膀。这种布局的优势在于可以适应高速和低速时的不同要求，起降性能好，缺点是结构的复杂性严重增加了飞机重量，随着发动机技术特别是矢量推力技术的不断发展和鸭翼的应用，这种布局逐渐趋于淘汰。变后掠翼布局典型机型有前苏联的米格27、图22，美国的F14、F111、B1，北约的狂风等。

变后掠翼气动布局——俄罗斯图22逆火战略轰炸机

变后掠翼气动布局——美国F14雄猫舰载歼击机

变后掠翼气动布局——北约狂风战斗轰炸机

无尾布局，这种气动布局顾名思义就是没有尾巴的气动布局。这里的“尾巴”指的是水平尾翼，主翼在机尾，实际起到水平尾翼的作用。

无尾布局的最大优点是高速飞行时性能优异，大家可以想象一下，无尾布局是最接近飞镖、导弹、火箭的气动布局，航天飞机采用的也是无尾布局，因为这是最适合高速飞行的布局，阻力小，结构强度大。由于没有水平尾翼，无尾布局大大减少了空气阻力，因为在常规布局中，从主翼表面流过来的气流会在水平尾翼形成阻力，同时为了平衡主翼的升力，水平尾翼其实一直充当一个“向下压”的角色，会损失掉一部分升力，所以和常规布局相比没有水平尾翼的无尾布局的空气动力效率要高很多，更适合高速飞行。无尾布局机翼承载重量更合理，和机身链接结构更稳固，这就简化了机身结构，再加上去掉了水平尾翼和相关的操控系统后，机身重量可以大大降低。无尾布局的缺点是低速性能不好，这影响到飞机的低速机动性能和起降能力。另外无尾布局因为只能依靠主翼控制飞行，所以稳定性也不理想。无尾布局在欧洲应用最为普及，法国的幻影系列是典型机型。

无尾气动布局机型——法国幻影2000

无尾气动布局机型——英法联合研制的协和超音速客机

无尾气动布局机型——英国火神轰炸机

针对无尾布局的低速性能和稳定性的缺陷，后来飞机设计师们又重新搬出了莱特兄弟的世界上第一架飞机的气动布局——鸭式布局，因为当初这种气动布局的飞机飞起来像鸭子，故此得名。鸭式布局也是主翼在后面，前面加个小机翼叫做鸭翼，所以这种气动布局其实就是无尾布局加个鸭翼，或者说是主翼缩小水平尾翼放大的常规布局。有了这个鸭翼，无尾布局的缺点得到明显改善，高速飞行时更加稳定，起降距离明显缩短，甚至机动性能比常规布局更加出色。欧洲最为推崇鸭式布局，瑞典的JAS39，英法德西班牙联合研制的欧洲战斗机EU2000，法国的阵风以及以色列的幼师全部采用鸭式布局。可以说目前鸭式布局再次成为航空技术发展的趋势，俄罗斯和美国正在研制新型飞机都在使用这种布局，例如俄罗斯的s37金雕试验机和美国的QSST超音速客机。我国最新研制的歼10猛龙就属于鸭式布局，或者称为无尾鸭翼布局。

鸭式气动布局机型——世界第一架飞机飞行者一号

鸭式气动布局机型——俄罗斯图144超音速客机

鸭式气动布局机型——我国的歼10猛龙战斗机

三翼布局，这种布局其实就是常规布局加个鸭翼，或者说鸭式布局加个水平尾翼。这种气动布局的优势是又多了一个可以控制飞机的部位，三个机翼更好的平衡分配载重，机动性能更好，对飞机的操控也更精准更灵活，可以缩短起降距离。缺点是会增加阻力，降低空气动力效率，增加操控系统复杂程度和生产成本。综合评测，常规布局增加鸭翼取得的性能改进得不偿失，所以目前只有俄罗斯苏27的改进型苏30MKI、33、34、35、37系列采用了这种气动布局。

三翼气动布局机型——俄罗斯苏37歼击机

飞翼布局，这种布局简单说就是只有飞机翅膀的布局，看上去只有机翼，没有机身，机身和机翼融为一体。无疑这种布局是空气动力效率最高的布局，因为所有机身结构都是机翼，都是用于产生升力，而且最大程度低降低了阻力。空气阻力最小所以雷达波反射自然也是最小，所以飞翼布局是隐身性能最好的气动布局。飞翼布局的最大缺陷是操控性能极差，完全依赖电子传感控制机翼和发动机的矢量推力，因此飞翼布局没有得到普及，只应用于用于大型飞机，例如轰炸机、运输机，目前投入使用的只有美国的B2轰炸机。

飞翼气动布局机型——美国B2隐形战略轰炸机

还有一种奇特的气动布局——前掠翼布局，这种布局的特点是主翼前掠而不是后掠，不过虽然很早就开展了这种气动布局的研制工作，但是因为机翼前掠致命的稳定性问题导致这种技术一直只停留在研发阶段，没有得到实际应用。典型机型有俄罗斯正在研制的S37金雕试验机和美国早已停止研制的X29试验机。

前掠翼气动布局机型——俄罗斯S37金雕试验机

前掠翼气动布局机型——美国X29试验机

现在知道了如何辨别飞机的气动布局了，是不是感觉世界上的飞机不再那么眼花缭乱了？我们要回过头来说说纸飞机了。对于纸飞机来说，最合适的气动布局是无尾布局，因为这种布局结构最稳固，即使用薄的纸折叠也能够保证机翼挺直，即使用力投掷高速飞出，纸飞机的结构也可以抵抗住风压不至于变形太大。无尾布局阻力可以调整到最小，所以可以投掷得更远。其实我们平时折叠的纸飞机都是无尾布局，即使初学者第一次折叠也可以获得很好的滑翔性能，这正验证了无尾气动布局的诸多优点。只不过普通的纸飞机没有垂直尾翼，或者说垂直尾翼在下方，看上去不太漂亮，不过这也算是纸飞机独有的气动布局吧。除了纸飞机，任何飞机都不敢把垂直尾翼放在下面，如何起飞姑且不说，降落时尾巴是注定要遭殃了。

答案补充

升力公式Y =(1/2)ρV2SCy（注V2是V的平方不会输入上平方符号）。

ρ为空气密度、V为飞机与气流的相对速度、S为翼面积、Cy 为升力系数

由公式可知影响升力大小的有1.机翼的面积2.机翼形状的升力系数3.空气相对于机翼的流速4.当时的空气密度,其中已空气相对于机翼的流速影响最大,它直接影响到飞机起飞时的升力取得,也就是说为什么飞机起飞前总是要高速滑行的原因,且是逆风滑行,如此才能取得更高的相对速度,好取得更高的升力,还有一般飞机会有襟翼,可以增加机翼面积,飞机在起飞或降落的时候,伸出襟翼(有兴趣可以在搭飞机时往机翼看,起飞降落时飞机机翼前缘及后缘会伸展开来),亦是增加升力方法,除此之外,飞机的升力，还和攻角有关。攻角就是机翼前进方向与气流的夹角，因为角度变化，气流会在上翼面后端产生低压区(与空气分离有关)，造成更大的压力差，所以升力变大。但达到临界攻角约12~14 度时,依照机翼断面形状不同，低压区转为乱流，造成失速。