为什么飞机都是现在的形状？

首先，现在的飞机并不都是“士”字型布局。后文会说明。

第一部分主要列举了固定翼飞机主要的几种布局。

第二部分聊了固定翼飞机气动布局发展的历史。

最后进行了总结。

（精力有限，没有整理“编年史”，列举了最“纲要”的部分。）

飞机的设计原理是基于现代空气动力学的。其中最重要的就是“伯努利原理”了，即在一个流体系统，比如气流、水流中，流速越快，流体产生的压强就越小。应用到飞机上，就是利用机翼上下表面的空气流速不同而产生压力差，从而获得上升的动力。

不同种类的飞机，样貌形态都不尽相同，这些造型虽然都是人类主动设计的杰作，但实质却是受制于空气阻力的被动结果。设计师以不断完善飞机的机翼、机身等部件，从而使飞机在不同的应用场景中获得更好的稳定性与操纵性。这个过程中有个专业的称谓，叫空气动力布局。

自从莱特兄弟发明第一架飞机以来，飞机设计师们通常将飞机的水平尾翼和垂直尾翼都放在机翼后面的飞机尾部。这种布局一直沿用到现在，也是现代飞机最经常采用的气动布局，因此称之为“常规布局”。世界上绝大多数客运、大型飞机都属于这种气动布局，例如波音系列、欧洲的空中客车系列，我国的运-7、ARJ21…

常规布局是航空发展史上最早广泛使用的布局，理论研究已经非常完善，生产技术成熟而又稳定，与其他气动布局相比各项性能比较均衡，所以目前无论是民用飞机还是军用飞机绝大多数使用这种气动布局。

无平尾、无垂尾或飞翼布局也可以统称为无尾布局。其基本优点为超音速阻力小和飞机重量较轻，但其起降性能及其它一些性能不佳。无尾布局由于没有“尾巴”，迎风面积减小，大大减少了空气阻力。也因部件离机身本体近，减小了力臂，当相对空气运动时，空气作用在飞机上的反作用力带来的力矩小，结构的安全系数也就相应提高。所以其特点是阻力小，结构强度大，在高速飞行时性能优异。

此外，无尾布局机翼承载重量更合理，和机身链接结构更稳固，这就简化了机身结构，再加上去掉了水平尾翼和相关的操控系统后，机身重量可以大大降低。随着隐身成为现代军用飞机的主要要求之一以及新一代战斗机对超音速巡航能力的要求，使得无尾——特别是无垂尾形式的战斗机方案受到越来越多的重视。

机翼后掠角在飞行中可以改变的机翼称之为变后掠翼。

变后掠翼布局的主翼后掠角度可以改变，有点类似于飞鸟在空中的姿态，低速飞行时张开翅膀，减小后掠角，高速飞行收起翅膀，加大后掠角。

变后掠翼布局较好的兼顾了飞机分别在高速和低速状态下对气动外形的要求，在六七十年代曾得到广泛应用，但由于变后掠结构所带来的结构复杂性、结构重量的激增，再加上其它一些更为简单有效的协调飞机高低速之间矛盾措施的使用，在新发展的飞机中实际上已经很少有采用这种布局形式的例子了。

座舱两侧有两个较小的三角翼（鸭翼），后边是一个大的三角翼称之为鸭式气动布局。

早在二战前，前苏联已经发现如果将水平尾翼移到主翼之前的机头两侧，就可以用较小的翼面来达到同样的操纵效能。早期的鸭式布局飞起来像一只鸭子，“鸭式布局”由此得名。

鸭翼分为两种——

一种是不能操纵的，即鸭翼是固定的，性能和风险都较低，其功能是当飞机处在大迎角状态时加强机翼的前缘涡流，改善飞机大迎角状态的性能，也有利于飞机的短距起降。

另一种是可操纵的，即鸭翼的角度是可调整的。鸭翼处于飞机重心之前，鸭式飞机起飞时，需要增大机翼迎角和升力，鸭翼出现正偏转，产生正升力，用抬头力矩加以平衡，使全机升力增大。在降落时，鸭翼偏转一个很大的负角，起减速板的作用。可操纵鸭翼的战机有中国的歼-10、 欧洲的EF－2000、法国的“阵风”瑞典的JAS－39等。

三翼面布局是在正常式布局的基础上增加一个水平前翼而构成(即前翼+机翼+平尾)。

三翼面的采用使得飞机机动性得到提高，而且宜于实现直接力控制达到对飞行轨迹的精确控制，同时使飞机在载荷分配上也更趋合理。俄罗斯的苏－34、苏－37和苏-47都采用这种布局。

三翼面布局的前翼所起的作用与鸭式布局的前翼相同，使飞机跨音速和超音速飞行时的机动性较好。但由于在飞机上增加了鸭翼，阻力和重量自然也会增大，电传操纵系统也会复杂一些。不过这种布局对改进常规布局战机的机动性有较好的效果。

在20世纪之前，能够让重于空气的“铁疙瘩”飞起来，并且在空中持续飞行一段时间，这本身就足以惊天动地、载入史册。

莱特兄弟有过总结，要让飞机飞起来，必须依次解决三个问题：一是要有合适动力，足以推动飞机前进，让飞机加速至足够速度。二是要有合适机翼，产生足够升力，支撑飞机的全部重量，让飞机飞上蓝天。三是要解决飞机的平衡与操纵问题，既能让飞机稳定飞行，又要让飞机可以操纵。这三点也就确立了飞机重心在前、升力作用点在后和机翼在前、尾翼在后的基本布局。正是解决了上述问题，莱特兄弟的“飞行者1号”才实现了冲天一飞，并且永载史册。

限于当时的技术条件，莱特兄弟以轻质高强度木材为主体，通过张线加强，支撑了飞机的基本轮廓，以木制翼肋、桁条，蒙上帆布组成了机翼、方向舵和升降舵，并通过机械传动实现了飞机的方向、俯仰和滚转控制。虽然简陋，但足够实用。

目前，国内航空发烧友的自制飞机也大多处于这一水平。

早期飞机有一个共同特点，采用多重机翼结构。机翼升力与飞行速度的平方成正比，与机翼面积成正比。当时动力不足，飞行速度低（“飞行者”1号时速几十千米，“红男爵”时速100多千米），为了满足升空需要，不得不采用多重机翼，以增大机翼面积，保证升力大于或等于飞机重力。

人类长期生活在地球表面，一旦飞上蓝天，很自然的就会想要飞得更高更快。

20世纪20年代，随着金属材料的大量运用，飞机结构强度明显提高，机体结构可以做得更灵巧，机体表面也更光滑，各种外形也更易于加工，加之发动机功率的提高，飞机的飞行高度和速度大幅提升。到20世纪40年代初，以美国的P-51“野马”战斗机为代表，飞行时速突破了700千米，实用升限突破了12000米。这一时期，飞机外形有了两个明显变化：一是单翼机取代了多翼机。随着飞行速度的提高，增大机翼面积的需求不再迫切，同时单机翼有利于减小飞行阻力，减轻飞机结构重量，又进一步提高了飞行速度和飞行高度，从而加快了多翼机的退出。二是流线型机身开始出现，使得机体阻力更小，流场更加均匀、平稳，也有利于提升飞行性能。此前，大都采用横平竖直的方形截面，以便于手工生产。

20世纪30年代末，随着喷气式发动机的诞生和喷气式飞机的出现，带来了飞行速度的更大提升，也带来了飞机外形的重大变化。喷气式发动机在一个很大的速度范围内，推力是随着飞行速度的提高而增大的，这就适应了飞机提速要克服激波阻力的需要。相比之下，活塞式发动机在接近声速时其输出功率是下降的，螺旋桨的推进效率也因为激波的出现而急剧降低，从而遭遇了“声障”。为了推迟激波的出现，也为了减小激波阻力的影响，喷气式飞机都采用了后掠翼，而不是螺旋桨飞机的平直翼。后掠翼，就是机翼和尾翼的前后缘都向后倾斜一定角度。最大飞行速度越高，后掠角越大。当最大飞行速度达到两倍声速以后，机翼后掠角达到了60度，人们索性将机翼后缘取直，后掠翼也就成了三角翼。

20世纪60年代，越南战争中，美国人发现一味追求高空高速并不能给空战带来多少利益，赢得空战优势需要提高飞机中低空跨声速段的机动性，由此拉开了第四代战斗机的发展。

飞机的机动性，反映飞机改变自身状态的能力，可以用飞机爬升率、水平加速性、稳定盘旋角速度等进行衡量。不难理解，飞机的机动性取决于发动机的推力特性和飞机的升力特性。第四代战斗机的发动机推重比提高到了8左右，提高飞机的升力特性主要是在机翼与机身的结合面上做文章，由此也带来了飞机外形上的一些变化，一是翼身融合体的出现，使得机翼与机身的界限趋于模糊，机身成为升力体的一部分，增大了机翼的有效面积；二是机身前段向机翼的过渡部位出现了大边条，大迎角时，其所形成的脱体涡有利于稳定上翼面气流，推迟气流分离，改善了机翼的大迎角特性；三是近距耦合鸭式气动布局的出现，改变了传统飞机水平尾翼产生负升力的状况，前置鸭翼产生正向升力，从而在相同的飞行环境和机翼面积下，飞机可以获得更大升力，此外近距耦合鸭翼还可以起到类似于大边条的作用，改善机翼的大迎角特性。

20世纪70年代，随着地面防空系统的发展，飞机的隐身突防问题提上了日程。

世界上第一款隐身战斗机，是美国的F-117，1983年列装。1991年，在海湾战争中，F-117以占总数4%的出动架次，轰炸了目标清单中40%的目标，自身无一损失。F-117采用了外形隐身、结构隐身和吸波涂料隐身。外形隐身，一是机身上表面由一系列不规则的多面体组成，外形怪异，目的是将敌方前向来的雷达探测波散射到不同方向，以削弱雷达回波；二是垂直尾翼向外倾斜，避免与水平尾翼垂直相交，形成角反射器。F-117突出隐身特性，机动性受到很大影响，加之1999年在南联盟首次被击落，打破了隐身战斗机不可战胜的神话，2006年开始退役，2008年全部退役。

F-22，是世界上第一款第五代战斗机，强调隐身性能与气动特性的均衡发展。2005年开始列装，目前是美国空军的主力战机。在F-117的基础上，F-22保留并完善了结构隐身和吸波涂料隐身，取消了机体上表面的多面体结构，代之以机身前段的多面体和机体表面的平行结构，如进气口前缘与机翼前缘、水平尾翼前缘相平行，同样达到了散射前向雷达探测波的效果，同时也较好地保持飞机的气动特性。

进入新世纪以来，临近空间高超声速飞行器成为航空器发展的新热点。高超声速，是指飞行马赫数大于5。临近空间高超声速飞行器，包括临近空间高超声速飞机、临近空间高超声速导弹和临近空间高超声速滑翔弹。

临近空间高超声速飞行器一旦问世，将使现有防空、反导系统陷入猝不及防、防不胜防和防无可防的尴尬境地。现有防空系统主要针对飞行高度三万米和飞行马赫数三以下的空气动力目标，临近空间高超声速飞行器在其目标包线以外。现有反导系统主要用于拦截弹道可预测的弹道导弹目标，临近空间高超声速飞行器具有战术机动能力，飞行轨迹不可预测。

临近空间高超声速飞行器飞行马航数在5以上，激波不可避免，理想化的想法就是让激波“化害为利”，助力高超声速飞行。乘波体构型由此提出。所谓乘波体，是指流线形外形，且前缘具有附体激波的高超声速飞行器。通俗的讲，乘波体飞行器飞行时其前缘平面与激波上表面重合，就像骑在激波的波面上，依靠激波的压力产生升力，其名称由此而来。乘波体飞行器取消了机翼，靠压缩升力和激波升力飞行，像水面由快艇拖带的滑水板一样产生压缩升力，由此带来了飞行器外形的新变化。乘波体包括楔形流乘波体、锥形流乘波体、楔锥流乘波体等。

总而言之，固定翼飞机的外形有很多，因为影响飞机外形的因素就有很多，很少有一种气动布局能够满足并适应所有飞行需求，需要在速度、重量、升限、过载、稳定性、操纵性、安全性等性能指标中作出权衡和突破。归根结底就是在需要中探索可能。其中，需要包括对飞机功能、性能以及效能等方面的需要，可能主要是技术可能。

正所谓“办法总比困难多”，飞机诞生以来，随着需求演变和技术发展，飞机的外形也在不断变化。总体来看，推动飞机外形演变的根本原因在于需求，技术进步则使得需求演变从“需要”变成了“可能”，并由此推动了飞机的不断发展。

而在探索过程的每个阶段中，飞行理论是确定的（如今依然在不断完善进步），比如最基础的，飞机升力主要来源于机翼上下表面气流的速度差导致的气压差，升力的大小与气流运动的速度、空气的密度、机翼的面积和机翼角度有关；飞机飞行时阻力包括摩擦阻力、压差阻力、诱导阻力、干扰阻力、激波阻力等。但不管何种气动布局，增加升力、推力和安全性，减少各种阻力是所有飞机气动布局的总体研究和发展趋势。

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