三翼面佈局

三翼面佈局最初見於1972年美國F-4 CCV研究機,但近年來民用飛機中，特別在通用 航空領域內也出現了不少三翼面佈局飛機。根據飛機前翼的面積以及前翼和主翼間的 前後間距，把它們分為兩種類型。一類是前翼較大間距較小類似於串置式的三翼機。美國設 計師Rutan曾在1982-1984年研製過兩架這種飛機。兩架飛機的外形相差不多，前翼翼展 略大於主翼翼展的一半，前主翼之間水平距離較小，前翼兩端與主翼用撐杆相連，尾翼為常 規形式。其中一架GRIZZLY,前翼和主翼均略微向前掠，而且兩者都裝有寬達二分之一弦 長的襟翼，用來研究串翼機的短距起落性能。Rutan於1987年又研製成一種65%尺寸的 AT驗證機。其佈局為串置式三翼面，前翼和主翼基本上大小相等，都是大展弦比直機翼， 前後間距也較小，前翼略上反而主翼略下反，這樣在翼尖處可形成有利干擾，提高氣動效率。 兩個兼作起落架艙和燃料艙的發動機短艙連同機身將前翼和主翼聯繫成構架，以降低大展 弦比機翼的重量。燃料艙的容積也比較大，可以貯存較多的燃油使航程增大很多。該機的主 翼上有八塊高增升後退式襟翼，使其具有較好的短距起落性能。在1989年的巴黎航空展覽 會上，蘇聯展出了一種Su-80短距起落多用途飛機。其佈局同Rutan的65%AT驗證機幾 乎完全相似，唯一的區別是該機的主翼上有翼梢小翼。 ^[2] 

另一類三翼面佈局的民用飛機上前翼與鴨翼相似，其面積較小而前翼與主翼間的距離 較大。其中較早研製且已經小批生產的是意大利的Piaggo 180飛機。該機於1979年開始研 制，並於1990年1月29日首次飛行，1990年中取得FAA(FAR-23)合格證。該機為雙發渦 輪螺槳通用航空飛機，最多能載客9人。該機為前有小面積鴨翼，後有T形尾翼的三翼面布 局。鴨翼上有輔助的單縫後緣襟翼，它不起俯仰操縱作用，但與機翼上的襟翼協調偏轉時起配平作用。因為鴨翼也產生升力，所以可減小機翼面積，從而降低巡航阻力及減少燃料消耗。 澳大利亞EAA公司的Eagle XTS是一架採用三翼面佈局的雙座複合材料輕型飛機，用作 空中放牧機，它的前翼在機翼的下前方，間隔較大。該機的低空性能很好，不易失速也不易進 入尾旋，具有良好的操縱性和安全性。該機自1988年春首次飛行，到同年10月已經飛行了 200小時，基本滿足設計指標並取得澳大利亞ANOT01-55適航證(相當於歐洲的JAR22)， 已準備投入批生產。 ^[2] 

採用三翼面佈局的戰機不多,有俄羅斯的蘇-33,34，47.此外,還有美國的F-15S/MTD/ACTIVE試驗機，蘇-37，米格-1.44試驗機，日本T-2CCV試驗機，中國的殲-15，德國F-104CCV試驗機等。

國外對正常式(WT)、鴨式(CW)、三翼面(CWT)佈局進行了對比和研究，經過一系列試驗，得出如下結論：

1、CWT佈局在所研究的迎角範圍內與CW和WT佈局相比，具有較大的升力，並且隨 着鴨翼或尾翼迎角的增加，鴨翼和機翼間距離的縮小，鴨翼面積的增加，其總升力特性將得 到改善。而尾翼與機翼間垂直間隔的變化對升力不產生影響。 ^[2] 

2、在巡航狀態下，CWT佈局的阻力大於鴨式及正常式。巡航阻力是隨着鴨翼迎角的增 加，尾翼迎角的減小，鴨翼與機翼間距離的增加，以及尾翼與機翼間垂直間隔的減小而增大 的。

3、在高升力情況下，CWT佈局比CW和WT佈局具有更好的阻力特性。隨着鴨翼迎角 的增大，尾翼迎角的增大，鴨翼與機翼間距離的增大，鴨翼面積的增大，使高升力時的阻力特 性得到改善。然而尾翼與機翼間垂直間隔的變化對高升力阻力沒有影響。 ^[2] 

4、CWT佈局的零升力矩係數C。低於WT但高於CW佈局，並隨着鴨翼迎角的增加， 尾翼迎角的減小，尾翼與機翼間垂直間隔的增大，鴨翼與機翼間距離的減小及鴨翼面積的減 小而增大。

5、 CWT佈局的焦點位於WT焦點的前方和CW焦點的後方，而且不隨鴨翼或尾翼迎 角的變化而變化了但卻隨着尾翼與機翼間垂直間隔的減小，鴨翼與機翼間距離的增大及鴨翼 翼展的增大而前移。

6、 CWT佈局在高升力時具有最好的升阻比L/D，但在巡航時卻最小。相反WT佈局在 巡航時最好而在高升力時最差。鴨翼與機翼間的間距小，有利於CWT佈局的巡航性能，但不利於高升力時的性能。 ^[2] 

綜上所述，各種佈局形式特點不同，選擇氣動佈局形式是一個綜合、折衷的過程。對於現代高性能戰鬥機的設計，除要在亞、超聲速及大、小迎角全包線範圍內都具有滿意的氣動特性外，還要考慮隱身性能對外形的要求；而隱身與氣動力對外形的要求有些是矛盾的，因此如何綜合、優化氣動力與隱身性能就更是總體佈置和設計的一個主要任務。 ^[1] 

(1)三翼面佈局飛機能提供更大的升力

通過大量計算分析表明, 增加一個前翼, 可保證大迎角有足夠的低頭恢復力矩, 改善大迎角特性, 提高最大升力。風洞試驗也表明, 二翼面時 , 操縱俯仰平衡的平尾可為負升力, 而三翼面時 , 前翼與平尾都可以產生正升力。在同樣升力下 , 三翼面飛機迎角較小 , 氣動阻力就小 , 升阻比提高 。前翼使氣動平衡消耗變小, 由於前翼脱體渦的有利干擾作用使主翼升力加大, 使襟翼氣動效率比無前翼時提高。 ^[3] 

(2)三翼面佈局飛機能更有效地實現直接力控制

增加一個前翼操縱自由度 , 它與機翼的前 、後緣襟翼及水平尾翼結合在一起可進行立軸和橫軸方向的直接力控制, 從而達到對飛行軌跡的精確控制。而一般的正常式佈局飛機就算可以通過先進電傳實現直接升力控制, 也很難實現直接側力控制。當鴨翼、 機翼和平尾一同進行操縱時就能實現直接升力控制, 進行機身俯仰指向和垂直位移機動 ;當鴨翼差動和方向舵或者垂直腹鰭和方向舵操縱結合起來 , 就能實現直接側力控制 。這就使戰鬥機的機動能力擴展到一個新的領域 ,無論在空 -空格鬥或空 -地攻擊中 , 都能創造出前所未有的機會, 顯著提高作戰效能和生存力。 ^[3] 

(3)三翼面佈局飛機能夠增大靜不穩定度 ,充分發揮主動控制技術的潛力

這是由於三翼面飛機加裝了前翼 , 全機焦點-氣動中心前移的緣故 。如再採用多餘度數字式電傳操縱系統能適應其變化, 通過計算機對 3個舵面及襟副翼的同向轉動或差動協調控制, 自動保證飛機的穩定性 , 既靈活機動又穩定。而二翼面的操縱往往相對滯後, 反應遲鈍 。

(4)三翼面佈局可以大大改善飛機的起降性能

試飛表明 , 起飛時, 增升裝置氣動效率提高, 升力增大 , 可輕鬆施加收放起落架時的平衡附加力矩, 而飛機姿態完全不受影響。降落時 ,全動前翼即成為減速板, 可減少滑跑距離, 有利於將現有常規佈局飛機改為艦載機 , 比如蘇 - 27加小前翼改為艦載型飛機 。 ^[3] 

(5)三翼面佈局可使飛機的可靠安全性增加

三翼面佈局具有更強的抗失速抗尾旋能力 。當飛機遇到強擾動氣流 (如陣風 、 暴風等), 特別是遇到風切變時, 3個翼面均能產生滾轉阻尼 ,使氣流擾動迅速衰減 。在低空的湍流中飛行時 ,前翼是縱向振盪和抖振的積極和消極阻尼器 , 可提高飛行的安全性, 減少機體上的載荷並提高舒適性 , 因而也就提高了飛行員在顛簸條件下的戰鬥力 。也許將來的民航機會廣泛且大量使用三翼面佈局, 因為三翼面佈局提高了飛機的穩定性 、安全性和乘座舒適度 。

(6)三翼面佈局可減輕機翼上的載荷, 全機載荷分配更為合理 (參見概述圖)。

這是因為常規二翼面飛機平尾上的升力往往是負升力, 而三翼面飛機前翼 、 水平尾翼均可產生正升力 , 使機翼載荷減少。這樣機翼的尺寸、質量變小, 儘管增加了前翼以及操縱系統 , 如果在設計時將機翼合理設計, 那麼三翼面佈局飛機的尺寸和質量較二翼面會減少, 因此, 可以減小結構質量。假如從飛機設計的開始就考慮三翼面佈局, 便可得到一架質量更小的飛機 。 ^[3] 

(7)在相同的外形尺寸下 , 三翼面佈局飛機的起飛質量大大增加 , 其起 飛質量可增加50%。有資料表明 , “閃電 ” - 1000大力神運輸機 (三翼面佈局 )起飛質量達 9 ×10⁵kg, 而與它尺寸差不多的 A -225 “夢幻” 大型運輸機(二翼面佈局)的起飛質量卻只有 6 ×10⁵kg, 這就説明三翼面佈局飛機起飛質量比二翼面佈局飛機的起飛質量增加了 50%。此外, 由於前翼提供了有效的輔助平衡力矩, 使機身長度縮短, 升力增大 , 機翼總面積減少。通過一些計算表明 , 在相同的起飛質量下 , 三翼面飛機尺寸比二翼面飛機減少約 20%。 ^[3] 

(8)容易實現二翼面飛機到三翼面飛機的改裝根據我國情況, 在現有的 J - 7飛機上加裝前翼, 它綜合了正常式和鴨式佈局的優點 , 不僅能夠得到更好的氣動特性, 而且還可進一步提高其飛行性能 。

三翼面佈局雖有旋渦有利干擾的優點, 但當迎角增大到一定程度後, 旋渦會發生破裂, 導致穩定性和操縱性的突然變化以及氣動力非線性的產生 。因而, 三翼面佈局的設計中 , 前翼相對機翼的位置以及前翼的面積的選取一定要進行周密的分析和詳盡的試驗, 在小迎角下 , 前翼產生的渦流增加主翼的升力, 在大迎角下 , 這種前翼還是能利用其渦流增加機翼升力並控制機翼氣流分離的 , 充分發揮三翼面佈局在大迎角下利用和控制非定常脱體渦流升力的能力 。 ^[3] 

蘇 - 35戰鬥機 、 “金雕” 戰鬥機、 俄羅斯的 “閃電 ” - 100到 “閃電 ” - 1000等系列運輸機, 以及意大利的 P180、 澳大利 亞的 XTS“鷹” 式飛機都採用了三翼面佈局 , 經使用證明 ,三翼面佈局飛機在失速特性 、 氣動效率、 起落性能、 操縱穩定性、 安全性以及經濟性等方面都比二翼面更先進 。 ^[3] 

由此可見 , 三翼面佈局應用廣泛, 無論是戰鬥機 、 運輸機 、 艦載機, 還是未來的民航客機 ,三翼面佈局都是一種非常有利的形式, 並將成為世界上最先進的氣動佈局 。 ^[3] 

通過對現有三翼面飛機的分析 , 以及三翼面佈局在飛機上的實際運用 , 我們有理由相信 , 在具體的飛機設計過程中 , 三翼面佈局為新世紀的飛機工程師設計性能優越的飛機提供了一個絕好的新思路 。