姿態穩定 5：尾翼的一些問題與策略

無論是駕駛員主動操作的偏航行為、或是因為側風而自動發生的偏航修正， 當垂直尾翼作用的時候，同時也會額外產生讓飛機滾轉的力矩。 這是因為垂直尾翼設計上的不對稱所導致的現象，如上圖(Figure 1)所示。 當使用水平尾翼操作俯仰的時候並不存在這樣的問題，因為水平尾翼是對稱的，左右兩邊都有。 然而垂直尾翼在大部份的飛機上都只在單側佈置，也就是只高聳直立在飛機上方，而下方並沒有對稱的尾翼， 因此才導致當垂直尾翼作用的時候會帶來滾轉力的副作用。

解決這個問題的方法看似簡單，只要把垂直尾翼做成上下對稱就好， 比方飛彈、火箭(Figure 2)的尾翼都是對稱的，就沒有這樣的問題。 那麼一般飛機為什麼不把垂直尾翼造成上下對稱的呢？為什麼大都只在單邊安裝垂直尾翼呢？ 原因無他，就是因為受制於起降以及地面停放的時候會敲到地面的原因而已！ 如果非要對稱設計的話，那麼就得把飛機架高， 於是考量到超長起落架所帶來的結構重量以及各種起降負擔之下， 大多數的飛機設計師在權衡之後還是選擇了只單獨在飛機上方佈置垂直尾翼的方案。 當然少數的例外還是存在的，例如像 Do 335 (Figure 3)這樣飛機的垂直尾翼就是相當對稱的， 反正起落架因為後推螺旋槳的關係橫豎都得那麼高了，不好好利用一下多出來的下方空間怎麼說得過去呢！

有些飛機會佈置兩片垂直尾翼，甚至還有飛機會設計更多片垂直尾翼，這是為什麼呢？ 主要原因就是單一垂尾不夠用，於是佈置多組垂尾來共同發力。

垂直尾翼的主要作用就是維持偏航穩定，因此需要一定的面積才能俱備足夠的力矩用以對抗機身與主翼產生的不穩定作用。 但有時候我們飛機的機身沒法造的足夠長，以給予垂直尾翼一個足夠的作用力臂，因此需要垂直尾翼的面積足夠大。 然而可能受制於結構與重量，或可能受制於停放飛機的機堡不夠高等等，就是沒辦法設計那麼高的垂直尾翼， 那該怎麼辦呢？ 那就只好安裝兩片垂直尾翼嘍！ 這就是為什麼許多現代戰鬥機都是雙垂尾設計的一大主因，其中屁股短可能是最大因素。 (現代其實還有另一項原因是來自於雷達隱形的需求，不在本篇的考量範圍內。)

如果雙垂尾還不夠用，那就只好安裝更多的垂直尾翼，成為多垂尾的佈局。 這種現象在許多特種飛機上容易見到， 比如說為了搭載巨大的雷達，又因為需要在航空母艦起降而不好設計長尾巴的 E-2 預警機(Figure 6)， 或者因為需要搭載奇形怪狀的貨物在自己背上而不得不增強穩定性的改裝款 747 (Figure 7)。

氣流流過一個物體之後會被該物體擾動而形成較為紊亂的狀態，更通俗的叫法就稱呼其為「尾流」。 一般如果有條件的話，通常我們都不太喜歡讓尾翼置身於其它東西的尾流之中， 因為不穩定的亂流作用在尾翼上，輕則導致效用降低、引起振動等，重則甚至能讓尾翼完全失效！ 因此多垂尾的設計在某些條件下其實也包含了閃避尾流這一項因素。 例如 E-2 (Figure 6)的多垂尾除了在機身長度短的前提下增強偏航穩定性之外， 也是為了讓外側的垂直尾翼能夠更好的避開前方雷達所造成的尾流影響。 用來揹負太空梭的改裝款運載飛機(Figure 7)也一部份是因為被貨物產生的尾流阻擋而使得原本的垂直尾翼效能降低， 因此才需要在遠離機身的位置額外安裝補充的垂直尾翼。

除了正常巡航飛行以外，以戰鬥機為主的那些性能飛機還常常需要拉攻角以抬頭的姿態飛行。 但這樣一來，機身產生的擾流就容易影響位於其後的尾翼， 甚至於某些飛機在合適的條件下，可能讓尾翼整個處在機身以及主翼所製造的尾流範圍內， 那麼這個問題該怎麼解呢？ 常見的解決方案有兩種。 第一種方案適合雙垂直尾翼設計的飛機。 將垂直尾翼設計一定的外傾角度，讓垂直尾翼往兩側張開， 即可一定程度讓尾翼在高攻角狀態下依然能夠吃到較為乾淨的外側氣流。 例如著名的 F-18 (Figure 9)戰鬥機就是採用這種帶有外傾雙垂尾設計的戰鬥機， 其兩片垂直尾翼向外張開了約 23 度。 另一種方案就是在飛機下方位置佈置被稱為腹鰭的安定翼面， 在大攻角飛行以至於機背上方的垂直尾翼功效降低時， 機腹下方吃乾淨氣流的翼面依然能夠保有作用，持續維持偏航穩定。 例如著名的 F-16 (Figure 10)戰鬥機就具有相當顯眼的腹鰭。

除了垂直尾翼之外，水平尾翼也同樣存在受尾流干擾的問題。 所以如果你仔細觀察，應能發現大部份飛機的主翼和尾翼不會位在同一個高度位置上。 通常來說，如果有條件的話，一般會傾向於將水平尾翼佈置的比主翼位置再低一些， 如圖(Figure 11、Figure 12)。 讓水平尾翼與主翼錯開，除了在平飛狀態下能減少尾流影響之外， 在帶攻角的抬頭飛行姿態時，位置稍低於主翼的水平尾翼同樣不會進入主翼製造的尾流之內； 而如果水平尾翼的位置是稍高於主翼的話，那可就不好說了！ 這時不知道會不會有人想問： 「欸不對啊！抬頭的問題是沒有，但如果是推竿低頭的飛行姿勢不就又被尾流影響了嗎？」 哎呀會問出這種問題的人，肯定就是平常飛行類電玩打的太少了！ 一般絕大多數飛行動作都是拉竿抬頭的，絕少推竿低頭的，駕駛員也不喜歡大推竿， 因此顧慮抬攻角的飛行姿態就可以滿全絕大多數的應用情況。

將水平尾翼佈置的比主翼還低這方案挺好，然而不是所有的飛機都能有條件這樣子佈置的。 比如像下圖(Figure 13)那樣的飛機， 機身的形狀在尾巴就是往上翹的，沒辦法把尾翼佈置的比主翼更低的話怎麼辦呢？ 其實尾翼比主翼高或低不是重點，重點在於要避開尾流影響，所以只要安排的垂直距離足夠遠就行了。 你看圖中這些飛機的尾翼雖然在主翼上方，但是距離夠大，在正常的飛行姿態下也不至於吃到主翼尾流。 反正這些大飛機也不是戰鬥機，通常也不會做什麼大攻角機動動作，因此這樣的距離隔離算是相當足夠了！

如果說那些飛機大多也就平平飛，很少做什麼激烈動作，那這樣也就算了。 然而有些飛機可能確實需要做點比較激烈的飛行動作，或可能機身太扁以至於垂直高度不足，那怎麼辦呢？ 那只好想辦法把水平尾翼的位置再往上面架高一點兒嘍！ 這麼一架高，就把水平尾翼給架到垂直尾翼中間了，成為所謂十字型尾翼， 如同下面這些飛機(Figure 14、Figure 15)。

如果再嚴重一點，或者是飛機得再做點更激烈的運動，或者是飛機不夠大， 那麼水平尾翼一往高了架就直接架到了垂直尾翼的頂端。 得，這就是 T 型尾翼了，如同下面這些飛機(Figure 16、Figure 17)。

如果說我的機身設計沒法讓水平尾翼往低位佈置，並且我也不想要把尾翼放高了架，那還有沒有什麼方案呢？ 有的，我們可以給尾翼佈置個下反角(Anhedral)。 比如暢銷的 F-16 戰機的水平尾翼就存在大約 13 度左右的下反角(Figure 19)， 然而經典案例還是得看冷戰時期的 F-4 戰鬥機(Figure 20)。 由於 F-4 機身造型在尾部抬高，又在此基礎下想要讓尾翼能延伸出主翼的尾流之外， 於是最後的結果就成了大約 24 度的水平尾翼下反角，成為 F-4 戰鬥機的標誌性特徵之一。

與垂直尾翼外傾使能伸出於機身尾流之外的原理相同， 給水平尾翼設置一個向下折彎的角度，可以讓水平尾翼向下方伸出於主翼製造的尾流之外， 使尾翼能夠接觸到較為乾淨的氣流，保持穩定的氣動效用。 然而給尾翼設計下反角也不是沒有缺點的， 這麼做會使尾翼產生的升力不是垂直於俯仰操作方向，使得有那麼一部份的分量被無用的消耗掉。 也就是說，為了產生足夠的俯仰控制力道，尾翼的面積需要更大一些(至於大多少就要看下反角有多大了)， 最終就導致尾翼的阻力增加。

本篇介紹了一些尾翼佈置上容易遇到的問題以及相應的手段策略， 雖不能完整覆蓋當前已被採用的所有飛機尾翼佈局，但應已經覆蓋了大多尾翼佈局在氣動上的考量。 其實飛機尾翼的佈局雖然確實相當看重氣動效能，但也並不僅止於在氣動效能上的考量而已， 還有許多因素也會導致決定採用某種尾翼佈置， 比方雷達隱身性能、機體結構考量、貨艙艙門佈置考量等等， 或有時也會為了遷就更重要的其它考量而不得不採用某些乍看匪夷所思的佈局與樣式。 因此如果遇到某架飛機的尾翼佈局讓你感到疑惑的時候，不妨也往其它方面思考， 或許就能從別的方面領會設計者的想法思路。