飛機(jī)三大要素，動(dòng)力、升力和控制力。沒有動(dòng)力，飛機(jī)動(dòng)不了；沒有升力，飛機(jī)飛不起來；沒有控制力，飛機(jī)到不了要去的地方。其中，伴隨著飛機(jī)的發(fā)展，飛行控制系統(tǒng)也經(jīng)歷了“波浪式的前進(jìn)，螺旋式的上升”。

一、飛行控制系統(tǒng)的“加”

喬治·凱利的固定翼飛機(jī)草圖

飛機(jī)源于空氣動(dòng)力學(xué)之父、英國(guó)喬治·凱利的固定翼飛機(jī)設(shè)想。18009年，他指出：“機(jī)械飛行的全部問題是向一塊平板提供動(dòng)力，使它在空氣流動(dòng)中產(chǎn)生升力，并支持一定的質(zhì)量。”喬治·凱利首次提出動(dòng)力與升力可以分離，從而為固定翼飛機(jī)的發(fā)明指明了方向。

“飛行者一號(hào)”

美國(guó)萊特兄弟在繼承前人經(jīng)驗(yàn)和自身大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上認(rèn)識(shí)到，要讓飛機(jī)飛起來，在技術(shù)上需要解決三個(gè)問題：一是制造更大升力的機(jī)翼；二是獲得驅(qū)動(dòng)飛機(jī)前進(jìn)的更大動(dòng)力；三是解決升空后的飛機(jī)平衡與操縱問題。第三個(gè)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(hào)”順利升空，拉開了人類航空時(shí)代的大幕。

20世紀(jì)50年代，隨著超聲速飛行的出現(xiàn)，人們遇到了一個(gè)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(jī)擁有更大的操縱舵面，甚至出現(xiàn)了全動(dòng)式水平尾翼，也隨之帶來了飛行控制系統(tǒng)增重的問題。

二、飛行控制系統(tǒng)的“減”

20世紀(jì)60年代末，隨著飛機(jī)電傳控制和主動(dòng)控制技術(shù)走向成熟，以F-15為開山之作的第四代戰(zhàn)斗機(jī)上出現(xiàn)了一個(gè)明顯的變化，這就是飛機(jī)的控制面變小了，飛機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)重量減輕了。在法國(guó)幻影系列飛機(jī)上還出現(xiàn)更為明顯的變化，這就是將飛機(jī)的三角翼向后延伸，與水平尾翼聯(lián)成了一體，水平尾翼消失了，無尾三角翼誕生了。

20世紀(jì)80年代，隨著隱身突防需求的提出和隱身飛機(jī)的誕生，飛行控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)重量進(jìn)一步減輕。先是美國(guó)F-117、F-22戰(zhàn)斗機(jī)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(jìn)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(jī)動(dòng)能力不足，不適用于戰(zhàn)斗機(jī)。2019年，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究規(guī)劃局（DARPA）提出了“帶有效應(yīng)器的革命性飛機(jī)控制”項(xiàng)目，意在通過演示驗(yàn)證，將射流飛行控制技術(shù)推向?qū)嵱茫瑥氐兹∠w機(jī)的空氣動(dòng)力控制面，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)無控制面的飛行控制。目前、美國(guó)和歐洲一些國(guó)家正在進(jìn)行相關(guān)研究。

三、“加”和“減”背后看不見的手

迄今為止，推動(dòng)飛行控制系統(tǒng)“加”和“減”的主要有三只手：

飛機(jī)焦點(diǎn)位置隨飛行M數(shù)的變化

一是飛行M數(shù)的變化和主動(dòng)控制技術(shù)的出現(xiàn)。飛機(jī)的穩(wěn)定性和控制性是一對(duì)矛盾。穩(wěn)定性，要求飛機(jī)能夠保持原有姿態(tài)，不受外界擾動(dòng)。控制性，要求飛機(jī)對(duì)控制信號(hào)做出敏捷反應(yīng)，及時(shí)改變飛行姿態(tài)。飛機(jī)的穩(wěn)定條件是焦點(diǎn)（空氣動(dòng)力合力的作用點(diǎn)）位于重心之后。如上圖所示，隨著飛行M數(shù)的增大，焦點(diǎn)稍向后移、再向前移，最終后移并穩(wěn)定在50%平均空氣動(dòng)力弦長(zhǎng)的位置。其中，在超聲速段（M>1），焦點(diǎn)是后移的。因此，對(duì)于超聲速飛行，隨著飛行M數(shù)的增大，飛機(jī)的穩(wěn)定性是增強(qiáng)的，控制性是降低的。為保持飛機(jī)的控制性，就必須相應(yīng)增大控制面的面積。主動(dòng)控制技術(shù)，就是放寬飛機(jī)的靜穩(wěn)定性，允許飛機(jī)在亞聲速時(shí)是不穩(wěn)定的，利用電傳控制系統(tǒng)強(qiáng)制穩(wěn)定，這樣一來，在超聲速飛行時(shí)，飛機(jī)的穩(wěn)定性降低（依然穩(wěn)定），控制性增強(qiáng)，從而減小了飛行控制面面積，減輕了飛行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)重量。

二是隱身突防需求的出現(xiàn)和隱身飛機(jī)的誕生。隨著地面防空導(dǎo)彈系統(tǒng)的普及和不斷完善，空中隱身突防的需求隨之產(chǎn)生。隱身突防，重點(diǎn)是雷達(dá)隱身。首先是消除機(jī)體表面的角反射器，飛機(jī)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(jī)無一例外的都采用了V形尾翼。其次是消除飛機(jī)前向和側(cè)向機(jī)體表面的大塊平板面積，采用多面體或曲面設(shè)計(jì)，直至取消尾翼，采用無尾飛翼布局。此外，飛機(jī)雷達(dá)隱身還采用其它一些機(jī)體外形隱身、機(jī)體結(jié)構(gòu)隱身和機(jī)體表面隱身技術(shù)，不再展開。

三是矢量推力技術(shù)的普及和射流控制技術(shù)的推動(dòng)。目前矢量推力技術(shù)主要用于改善飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)過失速條件下的機(jī)頭指向，降低了對(duì)發(fā)射空空導(dǎo)彈的機(jī)動(dòng)占位需求，拓展了飛行控制系統(tǒng)的功能，已經(jīng)在第四代、第五代戰(zhàn)斗機(jī)上廣泛運(yùn)用。射流控制，通過噴射高速流動(dòng)氣體或利用其控制發(fā)動(dòng)機(jī)排氣方向，達(dá)成飛行控制目的，擺脫對(duì)空氣動(dòng)力面的依賴，實(shí)現(xiàn)無控制面的飛行控制。目前，仍在探索和實(shí)驗(yàn)中。

四、飛行控制系統(tǒng)的三大必然

放眼未來，可以斷言：傳統(tǒng)的機(jī)械-液壓式飛行控制系統(tǒng)主要適用于低成本的亞聲速飛機(jī)，在通用飛機(jī)領(lǐng)域仍將廣泛運(yùn)用；電傳飛行控制系統(tǒng)主要適用于高端的高亞聲速、跨聲速和超聲速飛機(jī)，在通用飛機(jī)、商用飛機(jī)和軍用飛機(jī)領(lǐng)域都將繼續(xù)廣為運(yùn)用；三是隨著射流控制技術(shù)走向成熟，無控制面飛機(jī)將首先運(yùn)用于戰(zhàn)斗機(jī)，進(jìn)而在軍用飛機(jī)領(lǐng)域首先獲得推廣。“預(yù)測(cè)未來的最好辦法就是創(chuàng)造未來。”

編輯：黃飛

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