然后是第二个问题,苏-27的机翼为什么要采用中等展弦比?展弦比的计算方式是翼展的平方除以机翼面积,它代表的是机翼向两侧伸展的程度。如果把人的躯干比喻成飞机机身,而双臂比喻成机翼,那么双臂水平伸展开时的展弦比就是最大的,而紧贴身体两侧时最小。显然机翼伸展的越开流经机翼的空气就越多,产生的升力就越多;但在超声速飞行时,展弦比增大也会带来激波阻力的急速增长。

  在这种展弦比与阻力的权衡中,早期战斗机由于推力小、结构设计不宜过于复杂,因此往往会选择大后掠、小展弦比的组合设计,比如米格-21的展弦比就是2.22。而在后来的战斗机中又出现了三种不同的技术方向处理这一矛盾:首先是变后掠翼飞机,它通过调整机翼的展开程度来改变后掠角度和展弦比,同时适应高速飞行、大航程、长航时、短距离降落等相互矛盾的情况。比如F-111战斗机的展弦比变化范围就高达1.34(后掠角72.5度)~7.56(后掠角16度)。

F-111的变后掠翼设计使它的机翼后掠角度和展弦比都能在非常大的范围内调节

  而苏-27并未选择变后掠翼布局的原因,则是这种方案有三个缺陷。首先是变后掠翼需要复杂的液压、机械结构来完成调节功能,因此设计难度大、成本高;不过这个问题苏联当时可以解决,在60年代末期完成定型的米格-23战斗机就是证明。但另一个缺陷则很麻烦,机翼展开到不同角度时,飞机气动特性改变很大;如果没有自动化程度很高的飞行控制系统进行辅助修正,飞行员会感觉到自己在同时开着几种完全不同的飞机;这一点苏联不仅当时无法解决,而且后来困扰了米格-23一生。

  第三个缺陷则根本无解,也是变后掠翼布局在新一代高机动飞机中绝种的关键原因:要使设计收益大,参与改变的机翼部分必须要多,机翼的转轴位置必须靠内,否则增加的升力表现根本不足以抵消变后掠机构带来的巨大增重——达到20%机翼重量左右。但这会使飞机的升力中心前后变化幅度特别巨大,如果保证了超声速下的操纵性能和机动性,亚声速下飞机的迎角和过载一大,飞机的俯仰变化就会超出平尾的控制能力范围引起失控。因此苏-27最终采用了将展弦比增大到3~3.5之间的固定翼设计。

  最后一个问题,苏-27为什么一定要采用常规布局?米格设计局提出的无尾三角翼布局并非一种很糟糕的选择,法国达索公司的幻影III在中东、印巴空战中的表现就异常出色;实际上米格设计局提出这一方案的重要原因之一,就是米格-21在中东空战被幻影III打下的太多了。中央流体院反对这一路线的原因,还是在于它的固有缺陷不符合苏联人对新一代战斗机的取舍要求。

后期的幻影III战斗机添加了固定鸭翼,一方面提供额外的抬头升力并前移升力中心,另一方面作为涡流发生器改善机翼的升力表现。但注意它的襟翼,它起飞时仍然需要上偏襟翼,在飞机尾部形成较大的负升力来迫使飞机保持抬头姿态

  无尾三角翼布局采用大后掠小展弦比机翼设计,机翼本身的升力效率不高,只是通过把更小的飞机重量(机身更短、没有平尾)均匀分担给更大的机翼面积;虽然能取得非常优秀的瞬间盘旋性能,但这种优势消耗战斗机能量非常快。但是另一方面,无尾布局飞机在大迎角大过载下升力效率低、迎风面机大,阻力要高很多,因此在要求不损失速度和高度的持续性机动能力中表现较差。

  而在60年代时,战斗机的火控与武器系统的性能仍然很落后,飞行员驾驶战斗机开火的操作步骤相当繁杂;不仅反应慢,而且机炮、导弹的命中率也很低。这都意味着一方在短时间内态势占优也往往也难以进行有效攻击,空战中会出现大量中低空亚声速下近距离内进行反复的追逐、缠斗、咬尾的情况。因此苏联在当时还是更强调战斗机的持续机动能力。

  此外无尾布局飞机缺乏平尾这样的强力俯仰机构,它只能依靠力臂很短的襟翼来完成俯仰控制。而且在机械飞控时代,飞机只能采用重心在升力中心之前的静稳定设计;无尾三角翼飞机的襟翼必须上偏形成很大的负升力,才能像跷跷板一样把机头支起来,这使它起飞降落的性能很不好,需要很长的跑道。无论是后来的苏-27还是米格-29,苏联的第三代战斗机都是非常强调短距起降能力的。要缓解无尾布局飞机的缺陷,需要采用更先进的电传飞控系统作为硬件基础,而这是苏-27研制初期并未考虑的技术。

  在后期第三代战斗机中,欧洲和中国都选择了鸭式布局,通过全动鸭翼分担俯仰控制、并形成强力的涡流增升效果,可以彻底扭转大后掠小展弦比机翼在亚声速下的机动性劣势。但这种技术实际上是在无尾三角翼布局基础上发展出来的加强型设计,对于气动研究和飞行控制的要求都特别高。尤其是它必须以全权限数字电传为硬件基础,这种布局无论是技术需求还是设计思想上,都大大超出了苏-27预研的时代背景,因此不可能在当时苏联的考虑范围之内。

  苏-27项目在最早的设计阶段中,有大量方案和后来的苏-27看起来毫无瓜葛;哪怕是想象力最丰富的人,也很难凭第一印象找到它们之间的共通点。实际上这些只停留在模型、图纸阶段的方案,与后来因为实机试飞表现不理想而被放弃的T-10方案、真正演变成今天苏-27家族的T-10S系列方案之间的共同价值取向并不在于具体的布局设计;而在于以苏联1970年12月召开的专门会议为代表的一系列决策过程中,明确提出的一些新技术应用建议和要求。

枭龙边条上拉出的白色长条,是因为低压而凝结成的水雾,它代表着涡流的中心区域

  实际上包括米格-29在内,都是这一系列历史进程的产物;这也是最后米格-29为何与苏-27如此类似的根本原因。在当时针对新一代高推重比和高机动特性的前线歼击机设计探索中,苏联提出了三条显著增强飞机升力表现,而阻力增加很小、或是进一步减低阻力的技术方向。第一条是要合理的利用机翼上表面形成的涡流,实现对涡流升力的控制。

  飞机的飞行依靠升力,而升力的本质又是空气对飞机下表面的压力大于上表面,形成的向上的压力差。空气动力学的基本规律之一,就是流速低的地方压力大,流速高的地方压力小;实际上机翼产生升力,就是通过迫使机翼上表面的空气在相同时间内要流动更长的距离而实现的。如果能够实现将漩涡气流控制在一个合适的水平,这些涡流的高速旋转将会非常大幅度的提升机翼上表面的负压程度;这种现象引起的机翼升力增加,就是所谓的涡流增升。