飛行控制系統的"加"與"減"的區別

飛機三大要素，動力、升力和控制力。沒有動力，飛機動不了；沒有升力，飛機飛不起來；沒有控制力，飛機到不了要去的地方。其中，伴隨著飛機的發展，飛行控制系統也經歷了“波浪式的前進，螺旋式的上升”。

一、飛行控制系統的“加”

喬治·凱利的固定翼飛機草圖

飛機源于空氣動力學之父、英國喬治·凱利的固定翼飛機設想。18009年，他指出：“機械飛行的全部問題是向一塊平板提供動力，使它在空氣流動中產生升力，并支持一定的質量?！眴讨巍P利首次提出動力與升力可以分離，從而為固定翼飛機的發明指明了方向。

“飛行者一號”

美國萊特兄弟在繼承前人經驗和自身大量實驗的基礎上認識到，要讓飛機飛起來，在技術上需要解決三個問題：一是制造更大升力的機翼；二是獲得驅動飛機前進的更大動力；三是解決升空后的飛機平衡與操縱問題。第三個問題，就是飛行控制。正是在解決了三大問題之后，1903年12月17日，他們的“飛行者一號”順利升空，拉開了人類航空時代的大幕。

20世紀50年代，隨著超聲速飛行的出現，人們遇到了一個問題：超聲速飛行中，飛行的操縱能力明顯下降。于是，為了保持超聲速飛行中的操縱能力，人們看到了超聲速飛機擁有更大的操縱舵面，甚至出現了全動式水平尾翼，也隨之帶來了飛行控制系統增重的問題。

二、飛行控制系統的“減”

20世紀60年代末，隨著飛機電傳控制和主動控制技術走向成熟，以F-15為開山之作的第四代戰斗機上出現了一個明顯的變化，這就是飛機的控制面變小了，飛機控制系統的結構重量減輕了。在法國幻影系列飛機上還出現更為明顯的變化，這就是將飛機的三角翼向后延伸，與水平尾翼聯成了一體，水平尾翼消失了，無尾三角翼誕生了。

20世紀80年代，隨著隱身突防需求的提出和隱身飛機的誕生，飛行控制系統的結構重量進一步減輕。先是美國F-117、F-22戰斗機等以V形尾翼取代了十字形尾翼，后來B-2、B-21、X-47B、RQ-180等則進一步采用了無尾飛翼布局，徹底取消了V形尾翼。

無尾飛翼布局具有很好的隱身能力，但是其空中機動能力不足，不適用于戰斗機。2019年，美國國防部高級研究規劃局（DARPA）提出了“帶有效應器的革命性飛機控制”項目，意在通過演示驗證，將射流飛行控制技術推向實用，徹底取消飛機的空氣動力控制面，實現飛機無控制面的飛行控制。目前、美國和歐洲一些國家正在進行相關研究。

三、“加”和“減”背后看不見的手

迄今為止，推動飛行控制系統“加”和“減”的主要有三只手：

飛機焦點位置隨飛行M數的變化

一是飛行M數的變化和主動控制技術的出現。飛機的穩定性和控制性是一對矛盾。穩定性，要求飛機能夠保持原有姿態，不受外界擾動?？刂菩?，要求飛機對控制信號做出敏捷反應，及時改變飛行姿態。飛機的穩定條件是焦點（空氣動力合力的作用點）位于重心之后。如上圖所示，隨著飛行M數的增大，焦點稍向后移、再向前移，最終后移并穩定在50%平均空氣動力弦長的位置。其中，在超聲速段（M>1），焦點是后移的。因此，對于超聲速飛行，隨著飛行M數的增大，飛機的穩定性是增強的，控制性是降低的。為保持飛機的控制性，就必須相應增大控制面的面積。主動控制技術，就是放寬飛機的靜穩定性，允許飛機在亞聲速時是不穩定的，利用電傳控制系統強制穩定，這樣一來，在超聲速飛行時，飛機的穩定性降低（依然穩定），控制性增強，從而減小了飛行控制面面積，減輕了飛行控制系統結構重量。

二是隱身突防需求的出現和隱身飛機的誕生。隨著地面防空導彈系統的普及和不斷完善，空中隱身突防的需求隨之產生。隱身突防，重點是雷達隱身。首先是消除機體表面的角反射器，飛機垂直尾翼和水平尾翼的相交平面就是典型的角反射器，因此隱身飛機無一例外的都采用了V形尾翼。其次是消除飛機前向和側向機體表面的大塊平板面積，采用多面體或曲面設計，直至取消尾翼，采用無尾飛翼布局。此外，飛機雷達隱身還采用其它一些機體外形隱身、機體結構隱身和機體表面隱身技術，不再展開。

三是矢量推力技術的普及和射流控制技術的推動。目前矢量推力技術主要用于改善飛機的機動性，實現過失速條件下的機頭指向，降低了對發射空空導彈的機動占位需求，拓展了飛行控制系統的功能，已經在第四代、第五代戰斗機上廣泛運用。射流控制，通過噴射高速流動氣體或利用其控制發動機排氣方向，達成飛行控制目的，擺脫對空氣動力面的依賴，實現無控制面的飛行控制。目前，仍在探索和實驗中。

四、飛行控制系統的三大必然

放眼未來，可以斷言：傳統的機械-液壓式飛行控制系統主要適用于低成本的亞聲速飛機，在通用飛機領域仍將廣泛運用；電傳飛行控制系統主要適用于高端的高亞聲速、跨聲速和超聲速飛機，在通用飛機、商用飛機和軍用飛機領域都將繼續廣為運用；三是隨著射流控制技術走向成熟，無控制面飛機將首先運用于戰斗機，進而在軍用飛機領域首先獲得推廣?！邦A測未來的最好辦法就是創造未來?！?/p>

編輯：黃飛

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