国外战斗机总体气动布局演变与发展趋势浅析

• 第一代战斗机最大飞行速度为高亚声速或跨声速，实用升限在15000米左右，作战半径大约为500km，开始安装较为成熟的涡喷发动机，武器以航炮为主，机载电子设备较为简单。

• 第二代战斗机具备高空高速特征——最大飞行速度达到2马赫，升限达到2万米，作战半径大约为1000km，三角翼等新布局出现，发动机已带有加力燃烧室，开始安装雷达并具备导弹作战能力。

• 第三代战斗机在第二代战斗机的飞行包线基础上，更强调中低空高机动性能，其开始安装小涵道比涡扇发动机，导弹作战能力进一步提高。

• 第四代战斗机具备“4S”特征，其发动机推重比一般大于10。

上世纪40年代至50年代第一代战斗机出现，其以近距（5-10km）空中格斗作战模式为主，以航炮为主要武器，并配备测距雷达。本阶段涡喷发动机出现，且亚声速飞行时气体压缩效应及抖振问题得到解决，战斗机可实现跨声速区飞行。第一代战斗机配装单发涡喷发动机（无加力燃烧室），最大飞行速度一般在0.9马赫左右（跨声速区间，能够短暂突破声速），实用升限在15000米左右。第一代战斗机使用寿命很短、发动机可靠性差。典型代表机型有苏联的米格-15和美国的F-86，以及米格-17和F-80等。

第一代战斗机机身与机翼独立设计，其总体气动布局主要特点为：

（1）圆筒机身。机身主要作用之一是将发动机包裹起来，同时机载电子设备功能有限、尺寸较小，采用圆筒机身，易实现发动机安装、机载设备布置及机体加工装配等；

（2）中等后掠角机翼。35°~45°的前缘后掠角可推迟机翼前缘出现激波，能够有效提高临界马赫数，减小激波阻力；

（3）鼓包式座舱。座舱突出机身，可以保证飞行员有较好的前视界及一定的侧视界，利于近距格斗，且飞机不考虑隐身；

（4）机头进气道。由于空空导弹尚未发展成熟，主要依靠航炮执行视距内空战，不考虑大尺寸雷达安装问题，且头部进气道进气效率较高，还可以避免吸入航炮发射后产生的尾烟；

（5）外挂副油箱。不考虑隐身性能的情况下，油箱外挂简单易实现；

（6）单发涡喷发动机（无加力）。飞机起飞总重较小、航程有限，发动机推重比2-3。

图 1 F-86和米格-15

表 1 F-86、米格-15、米格-17和F-80的主要性能和外形参数

上世纪50年代中期至70年代第二代战斗机出现，其依旧以近距空中格斗为主要作战模式，更强调高空、高速性能，其以航炮和空空导弹为主要武器，并开始配备火控雷达。本阶段跨声速面积律理论得到突破，带加力涡喷发动机得到应用。第二代战斗机安装单/双发涡喷发动机（有加力燃烧室），最大飞行速度可突破2马赫、最大飞行高度可达20000米。第二代战斗机典型代表有苏联的米格-19、米格-21,美国的F-8、F-11、F-100、F-102、F-104、F-105，法国的幻影-3等。

相较于第一代战斗机，第二代战斗机机身与机翼综合设计，其总体气动布局主要特点为：

（1）蜂腰机身。采用跨声速面积律理论对机身进行修形设计，能够减弱跨声速气流中机身、机翼、发动机短舱的相互影响，减小跨声速阻力；

（2）大后掠角机翼。前缘后掠角大于50°，可进一步提高飞机最大飞行马赫数，如二代机常见的大后掠翼、三角翼等；

（3）两侧进气道。一是由于飞机重量进一步加大，飞机机身加长而进气道长度变化不大（与发动机流量等相关），二是为机头火控雷达提供安装空间；

（4）无尾/正常式布局。由于采用三角翼，主翼与尾翼距离拉近，襟副翼代替了平尾的操纵面，出现了无尾式布局；

（5）单/双发涡喷发动机（有加力）。发动机推重比4.5-5.5。

图 2 F-104和幻影-3

表 2 F-104、幻影-3和米格-21的主要性能和外形参数

上世纪70年代至90年代第三代战斗机出现，其主要以近距格斗、中远距（大于20km）作战为主要作战模式，多任务、多用途成为其设计主流，能量机动空战理论逐渐受到重视。本阶段涡升力理论得到应用，小涵道比涡扇发动机开始大范围使用。三代机安装单/双发涡扇发动机，主要追求高机动性能，采用高升力气动布局，配备先进雷达设备，加强导弹应用，其机身和翼下挂架一般可挂置副油箱和多枚空空、空地导弹，最大飞行速度在2马赫左右，最大飞行高度达到18000米。第三代战斗机典型代表有美国的F-15、F-16、F/A-18、苏联的米格-29、苏-27、法国的幻影2000等。

相较于第二代战斗机，第三代战斗机机身与机翼融合设计，其总体气动布局主要特点为：

（1）边条翼与翼身融合设计。边条翼能够增加飞机机动性，可改善机翼在大迎角时的气动特性（特别是升力特性）；翼身融合设计是“面积律”理论的进一步应用，相较于单纯的蜂腰设计能够进一步减小飞行阻力；

（2）气泡式座舱。在保持前视界的前提下，进一步能加飞行员侧视界；

（3）腹部进气道出现。边条翼和鸭翼的应用促使了机腹进气方式；

（4）全动平尾。主动控制技术被突破和飞机静不稳定设计技术日趋成熟，全动平尾可进一步增强飞机操纵性；

（5）单/双发涡扇发动机。小涵道比涡扇发动机具有较低的耗油率，可提高战斗机续航能力，其推重比一般在6-8之间。

图 3 F-16和苏-27

表 3 F-16、苏-27和幻影2000的主要性能和外形参数

上世纪90年代至今第四代战斗机出现，其以中远距作战为主。相比三代机的大机动和“宽域”作战特性，美军为四代机提出了“4S”标准，即超机动、超隐身、超声速巡航、超视距打击。四代机一般安装推重比10一级的涡扇发动机，总体、气动、隐身、结构一体化设计，气动布局设计力求实现超机动和超隐身。第四代战斗机典型代表有美国的F-22和F-35，俄罗斯的苏-57等。

相较于第三代战斗机，第四代战斗机机身与机翼一体化设计，其总体气动布局主要特点为：

（1）钻石形机头。机头由光滑曲线截面变为钻石形，在机身侧向具有较小的RCS（雷达反射截面积），可以增加偏航稳定性，还可产生脱体涡起增升作用；

（2）菱形机翼。提高隐身性能，且具有后缘前掠、相对厚度较小、翼载荷较低、结构强度较高以及方便机身主尾翼紧凑布置等特点；

（3）外倾双垂尾。提高侧向雷达隐身性能；

（4）S弯进气道。进一步提高前向雷达隐身性能，四代机普遍采用卡尔特（CARET）进气道、蚌式（DSI）进气道等，达到了气动隐身一体化设计的目的，且不需要安装复杂的进气调节控制系统；

（5）内埋弹舱。提高雷达隐身性能；

（6）大推重比发动机。推重比大于10。

图 4苏-57和F-22的正视图与俯视图

图 5 苏-57和F-22的进气道仰视图

表 4 苏-57和F-22的主要性能和外形参数

喷气式战斗机自诞生以来，其作战模式从近距作战演变到中远距作战，作战模式的变化、飞行性能的跃升加上技术的进步与突破，促使战斗机气动布局和设计思想不断发展。根据第一到第四代战斗机作战任务及技术突破情况，飞机总体气动布局经历了“机身机翼独立设计→综合设计→融合设计→一体化设计”的演变，其一般规律总结如下：

a. 机头：圆弧形机头→钻石形机头

b. 机身：圆筒机身→钻石形机身

c. 机翼：中等后掠角机翼→大后掠角机翼→菱形机翼

d. 座舱：鼓包式座舱→气泡式座舱

e. 进气道：直筒型→“S”形

f. 武器舱：外挂→内埋

g. 发动机：涡喷→涡扇；小推重比→中等推重比→大推重比；常规喷管→失量喷管。

未来战斗机综合作战要求更高，智能变体技术、人工智能技术、变循环发动机技术、先进隐身技术、武器技术、传感器技术及加工制造技术等将被逐渐突破，所以未来战斗机战术技术要求的方向可能主要为：更快的飞行速度，巡航速度可达到Ma2.0以上；

• 更强的机动性能，在不开加力的情况下可超声速完成大多数机动动作；

• 更高的飞行高度，实用升限可突破20km（目前四代机的实用升限不超过20km）；

• 更宽更全面的隐身范围，即可全向宽频雷达隐身、红外隐身、光学隐身等；

• 传感器网络高度集成化，控制系统高度智能化，从而实现战斗机全面态势感知和自保障；

• 安装变循环动力装置以适应宽速域和大飞行高度区间；

• 拥有更先进的武器系统，能够安装新概念武器如激光武器、束能武器等。

综合以上性能要求，未来战斗机的总体气动布局特点可能有：

（1）钻石形机身与菱形机翼高度融合。进一步战斗机提高隐身、飞行性能（尤其是续航能力）及飞机装载利用率；

（2）沉浸式座舱。进一步提高战斗机隐身性能，同时降低气动阻力，并减弱机头各激波的相互干扰，且方便后续的战斗机无人化改型；

（3）推进系统一体化设计。进气道与飞机前体、尾喷管与飞机后体高度耦合；

（4）“无尾”布局。“无尾”布局有两种可能：垂尾被直接去掉，超视距作战不再需要战斗机具有高机动性，采用新式无垂尾布局可进一步提高战斗机隐身性能；垂尾可折叠，在需要做机动飞行时垂尾展开，而在其他时候战斗机可拥有最佳雷达隐身性能。

（5）武器舱与四代机同样的内埋布置。

图 6 国外未来战斗机概念方案图

总而言之，未来战斗机总体气动布局将朝着“更加简洁、智能可变、融合/一体化”等方向发展，逐步逼近全速域综合性能最优。

表 5 各代战斗机特点总结