飞行控制系统的"加"与"减"的区别

飞机三大要素，动力、升力和控制力。没有动力，飞机动不了；没有升力，飞机飞不起来；没有控制力，飞机到不了要去的地方。其中，伴随着飞机的发展，飞行控制系统也经历了“波浪式的前进，螺旋式的上升”。

一、飞行控制系统的“加”

乔治·凯利的固定翼飞机草图

飞机源于空气动力学之父、英国乔治·凯利的固定翼飞机设想。18009年，他指出：“机械飞行的全部问题是向一块平板提供动力，使它在空气流动中产生升力，并支持一定的质量。”乔治·凯利首次提出动力与升力可以分离，从而为固定翼飞机的发明指明了方向。

“飞行者一号”

美国莱特兄弟在继承前人经验和自身大量实验的基础上认识到，要让飞机飞起来，在技术上需要解决三个问题：一是制造更大升力的机翼；二是获得驱动飞机前进的更大动力；三是解决升空后的飞机平衡与操纵问题。第三个问题，就是飞行控制。正是在解决了三大问题之后，1903年12月17日，他们的“飞行者一号”顺利升空，拉开了人类航空时代的大幕。

20世纪50年代，随着超声速飞行的出现，人们遇到了一个问题：超声速飞行中，飞行的操纵能力明显下降。于是，为了保持超声速飞行中的操纵能力，人们看到了超声速飞机拥有更大的操纵舵面，甚至出现了全动式水平尾翼，也随之带来了飞行控制系统增重的问题。

二、飞行控制系统的“减”

20世纪60年代末，随着飞机电传控制和主动控制技术走向成熟，以F-15为开山之作的第四代战斗机上出现了一个明显的变化，这就是飞机的控制面变小了，飞机控制系统的结构重量减轻了。在法国幻影系列飞机上还出现更为明显的变化，这就是将飞机的三角翼向后延伸，与水平尾翼联成了一体，水平尾翼消失了，无尾三角翼诞生了。

20世纪80年代，随着隐身突防需求的提出和隐身飞机的诞生，飞行控制系统的结构重量进一步减轻。先是美国F-117、F-22战斗机等以V形尾翼取代了十字形尾翼，后来B-2、B-21、X-47B、RQ-180等则进一步采用了无尾飞翼布局，彻底取消了V形尾翼。

无尾飞翼布局具有很好的隐身能力，但是其空中机动能力不足，不适用于战斗机。2019年，美国国防部高级研究规划局（DARPA）提出了“带有效应器的革命性飞机控制”项目，意在通过演示验证，将射流飞行控制技术推向实用，彻底取消飞机的空气动力控制面，实现飞机无控制面的飞行控制。目前、美国和欧洲一些国家正在进行相关研究。

三、“加”和“减”背后看不见的手

迄今为止，推动飞行控制系统“加”和“减”的主要有三只手：

飞机焦点位置随飞行M数的变化

一是飞行M数的变化和主动控制技术的出现。飞机的稳定性和控制性是一对矛盾。稳定性，要求飞机能够保持原有姿态，不受外界扰动。控制性，要求飞机对控制信号做出敏捷反应，及时改变飞行姿态。飞机的稳定条件是焦点（空气动力合力的作用点）位于重心之后。如上图所示，随着飞行M数的增大，焦点稍向后移、再向前移，最终后移并稳定在50%平均空气动力弦长的位置。其中，在超声速段（M>1），焦点是后移的。因此，对于超声速飞行，随着飞行M数的增大，飞机的稳定性是增强的，控制性是降低的。为保持飞机的控制性，就必须相应增大控制面的面积。主动控制技术，就是放宽飞机的静稳定性，允许飞机在亚声速时是不稳定的，利用电传控制系统强制稳定，这样一来，在超声速飞行时，飞机的稳定性降低（依然稳定），控制性增强，从而减小了飞行控制面面积，减轻了飞行控制系统结构重量。

二是隐身突防需求的出现和隐身飞机的诞生。随着地面防空导弹系统的普及和不断完善，空中隐身突防的需求随之产生。隐身突防，重点是雷达隐身。首先是消除机体表面的角反射器，飞机垂直尾翼和水平尾翼的相交平面就是典型的角反射器，因此隐身飞机无一例外的都采用了V形尾翼。其次是消除飞机前向和侧向机体表面的大块平板面积，采用多面体或曲面设计，直至取消尾翼，采用无尾飞翼布局。此外，飞机雷达隐身还采用其它一些机体外形隐身、机体结构隐身和机体表面隐身技术，不再展开。

三是矢量推力技术的普及和射流控制技术的推动。目前矢量推力技术主要用于改善飞机的机动性，实现过失速条件下的机头指向，降低了对发射空空导弹的机动占位需求，拓展了飞行控制系统的功能，已经在第四代、第五代战斗机上广泛运用。射流控制，通过喷射高速流动气体或利用其控制发动机排气方向，达成飞行控制目的，摆脱对空气动力面的依赖，实现无控制面的飞行控制。目前，仍在探索和实验中。

四、飞行控制系统的三大必然

放眼未来，可以断言：传统的机械-液压式飞行控制系统主要适用于低成本的亚声速飞机，在通用飞机领域仍将广泛运用；电传飞行控制系统主要适用于高端的高亚声速、跨声速和超声速飞机，在通用飞机、商用飞机和军用飞机领域都将继续广为运用；三是随着射流控制技术走向成熟，无控制面飞机将首先运用于战斗机，进而在军用飞机领域首先获得推广。“预测未来的最好办法就是创造未来。”

编辑：黄飞