飞翼发展综述

在传统的飞机设计中,飞机的重心总是位于机翼升力中心的前方,这使得机翼提供的升力打破了机身的平衡,飞机容易造成机头向下俯冲。为了平衡这种趋势,通常会在飞机尾部设计一些具有向下作用力的小型控制翼,以抵消飞机的俯冲趋势。基本原理是飞机可以按一定角度自由飞行。当功率降低,速度降低,机翼升力降低,机头自然会降低,然后飞机开始下降。

对于一架简单安全的飞机来说,有许多障碍。位于飞机尾翼上的控制翼往往会使飞机比实际长度长,而这些加长的机身大多无法承受平衡载荷。另外,控制翼的存在会增加阻力,降低飞机的整体性能。最大的问题是,这些机翼同时增加了飞机的阻力和重量,这使得飞机发动机不得不提供额外的推力,以产生比原飞机所需更多的升力。

飞机的传统布置——载荷在前,翼面在后——还会造成另一个问题,就是机翼会向后弯曲(偏转),所以有时候机翼会在重心前,有时候会在重心后。飞机的稳定性和可控性(通过额外的机翼表面)一样重要。但是,如果没有额外的控制翼,阻力和重量可以减少。在大多数情况下,这可以显著降低飞行阻力,设计师可以集中精力解决稳定性问题。

飞翼唯一的缺点是,为了让机身更好的隐藏在机翼中,飞机的机翼必须设计得比通常的机翼厚很多。低速的时候没关系,但是当飞机接近音速的时候,会在机翼相对较厚的部分产生巨大的阻力效应,所以飞翼不适合高速的飞机,比普通飞机对阻力更敏感。此外,还会出现“马赫下降”等一系列高速下的稳定性问题,需要设计师通过大量的努力来解决。

由于这些原因,对飞翼的研究仅限于1930至1940时期。当时,飞翼被认为是生产大型客机的自然解决方案,在载客量相同的情况下,大型客机也可以携带足够的燃料进行定期跨大西洋飞行。飞翼巨大的内部容积和较低的阻力,让它自然而然的扮演了这个角色。美国的杰克·诺斯罗普,德国的亚历山大·尤斯图斯·冯·李比希和肖特兄弟都有这方面的研究,而德国的雨果·容克在1910获得了一项飞翼滑翔机的概念专利。

容克在1919年开始了他伟大的JG1设计,试图把乘客放在厚厚的机翼里。但在1921,联合空中交通管制委员会宣布,未完工的JG1飞机打破了一战后对德国飞机尺寸的限制,容克设想的未来主义飞翼最多可容纳1000名乘客,最接近成功的是1931容克G-3834。座舱位于机翼前缘,嵌入机翼。当时最大的陆地飞机(相对于水上飞机),绰号“飞行酒店”的G-38加入了汉莎航空的机队,后来它被转为军用,直到1941年被从雅典撤退的英军摧毁。日本被容克授权建造几架G-38作为轰炸机。

二战后期设计的很多德国军用飞机都是以飞翼为基础,或者在此基础上进行改装,以最大限度地增加喷气式发动机飞机的航程。最著名的是哥达Go-229,1944首飞。它不仅结合了飞翼(Nürflugel)的概念,而且在复合材料机翼中隐藏了两个喷气发动机,可以吸收雷达波。现在这架飞机的原型仍然被史密森尼博物馆保存在原来的状态。2008年,诺斯罗普·格莱曼制作的模型显示Ho 299被当时的英国雷达系统发现。

战后很多概念设计都是基于飞机的平面形状,但是问题很快就出现了。为了延长轰炸机的航程,对飞翼的兴趣一直持续到1950年代,诺斯罗普B-49轰炸机是其最后的绝唱,但最终并没有投产,甚至飞翼设计也无法弥补对载油量的要求。后来又建造了类似波音B-52轰炸机的更大的普通飞机,取代飞翼设计。随后的远程轰炸机从未采取飞翼的形式,直到B-2幽灵隐身战略轰炸机的出现。

在1980年代,飞翼作为一种大幅降低雷达反射信号的方式再次引起了人们的关注,最终导致了诺斯罗普公司的B-2幽灵隐身战略轰炸机的出现。在这个项目中,优秀的空气动力学不是关键问题。

由于飞翼在中低速范围内仍能保持优异的性能,其作为战术运输机的想法从未中断过。波音公司一直在进行采用翼身融合运输机的项目研究,其尺寸与洛克希德C-130大力神运输机相当,航程更远,额外载荷为1/3。波音、麦道、德哈维兰等很多公司都考虑过设计飞翼客机,但到目前为止都没有实现。客机使用这种设计的问题包括舒适性(除了中间座位,转弯时会有太大的倾斜度)、窗户太少、逃生难度较高、需要改变机场设计等。