美國在前掠翼領域的探索：X-29驗證機外形很科幻

1936 年德國人首度提出前掠翼飛機的設計概念，但是當時並沒有建造出一架模型出來，一切都還只停留在圖紙的階段。而到了二戰末期，飛機的空速越來越快，當傳統的平直翼構形（即機翼與機身呈 90 度垂直）的飛機接近聲速時，流過機翼的上層表面的氣流會因為比機體更接近聲速，而產生擾流，使飛機的操作變得更困難。因此產生了後掠翼和前掠翼的相關研究，希望能解決這個問題容克發展了 Ju 287 進行在前掠翼方面的嘗試。與此同時，美國有一家名不見經傳的小飛機公司 Cornelius 在 1944 年也建造了二架前掠翼無動力的燃料運輸滑翔機，但是美國人在這個計劃上，同樣也沒有繼續下去。到了二戰結束，NACA 的專家曾在風洞中測試前掠翼飛機的設計，並發現了前掠翼飛機的一些潛在的優點。而前蘇聯在俘虜了一些德國科學家後，在這個領域上有一些嘗試，但是最後還是放棄了。1964 年，一家德國的飛機製造公司建造了 50 架 HFB-320 商用的前掠翼噴氣式客機，這應該是前掠翼飛機第一個進入生產，實用化的機型了。

Ju 287 的前掠翼布局更多是為了配平機頭髮動機的需要

Cornelius XFG-1 前掠翼滑翔機

HFB-320 採用前掠翼布局是為了盡量擴展客艙空間

這些早期發展的前掠翼飛機碰上了許多問題，而 NACA 的專家在更多的風洞測試後發現前掠翼飛最主要的缺點在於氣動彈性發散，使得機翼的強度設計必需大輻度增加，遠超過當時傳統材料所能達到的範圍。而且機翼設計強度的要求還會隨飛機速度的增加而大輻增加，使得傳統的剛性材料幾乎不可能造出超音速的前掠翼飛機。一直到了 20 世紀 70 年代中期，新的複合材料出現料出現，使得這個問題得到改善。先進的複合材料使得機翼可以以更輕的重量獲得更高的強度，並允許一定程度的彎曲，以降低機翼因為扭曲變形而折斷導致飛機失事墜毀的機率。然後陸續才有一些飛機公司投入前掠翼飛機方面的研究。到了 20 世紀 70 年代末期，羅克維爾公司提出 Sabre bat 戰鬥機的模型，通用動力則是改裝了 F-16，但最後 DARPA 在 1981 年還是選擇了 Grumman 公司的版本。

前掠翼反向的展向流動導致翼尖彈性氣動發散的問題

外形很科幻的羅克維爾公司 Sabre bat 戰鬥機模型

F-16 FSW 模型

最後獲勝的格魯曼 X-29 方案，沿用了 F-20 虎鯊的機體

X-29 計劃的重點有三，前掠翼飛機設計和使用複合材料的機翼都說過了，最後一個問題就是飛機需要更細緻的操控，才能進行超音速的飛行。因此，X-29 計劃的第三個主要測試項目就是計算機輔助飛行系統。經由感測到的飛行速度和高度等的變化，計算機每秒鐘要對飛機的飛行控制界面例如「升降襟翼」等，下達超過 40 道修正指令，平衡機機的升力和阻力，以確保飛行的穩定性。X-29 共配備三套數字式的計算機輔助飛行系統，並有三套模擬式的計算機輔助飛行系統做備份。萬一有一套數字式的計算機輔助飛行系統故障，剩下的二套數字式的計算機輔助飛行系統仍能維持飛機飛行。萬一有二套數字式的計算機輔助飛行系統故障，模擬式的計算機輔助飛行系統立即啟動。這使得飛行的安全性有了明顯的提升，比早期的一些試驗飛機一發生故障即失事，有了長足的進步。

然而雖然 X-29 先進技術驗證機的前掠翼提供了 45 度迎角的滾轉控制能力，但在高迎角的低頭能力仍然顯得不足，這一點有待通過矢量推進技術加以彌補。在政府的資助下，X-29 於 1981 年年初進行了矢量噴口的研究，格魯門公司用的是通用電氣公司的 ADEN 噴口，因為 X-29 的 F404 發動機正是該公司的產品。矢量推進技術可以進一步增強 X-29 的俯仰控制，再加上前掠翼設計，形成了完整的高迎角能力。但 X-29 對持續機動能力較為重視，期望矢量推進技術可以產生升力分量，提高轉向的向心重力加速度。在風洞的測試結果顯示，前掠翼的升力效果已經非常優秀了，僅在瞬間的轉向速度上還有待提升，但這一點對持續轉向的影響不大。

準備安裝在 X-29 上的 ADEN 噴口外形

而測試表明 ADEN 噴口對起飛性能的改善有比較明顯的作用，所謂 ADEN 噴口是通用電氣公司於 1972 年為美國海軍的先進垂直/短距推進計劃所開發的，其主要的設計思想是能通過導流板將發動機射流轉向 90 度以上，從而使飛機具備垂直起降的能力，因此這種噴口被命名為「加力偏流噴口」（ADEN）。噴口向上打開可以使在滑行中的飛機提早抬起機頭，使得前掠翼提前發揮升力作用，從而縮短一半的起飛距離。降落時則與機翼配合減緩進場速度，測試表明，飛機的進場速度可以降低 4.6%。

藝術家筆下的 X-29

ADEN 噴口原先垂直起降用的檔流板，被 X-29 拆除並加入反推導流板，使其產生 50% 的逆向推力，縮短 30% 的飛行距離。然而，美國空軍在已經裝備的 F-111 和 F-15 上進行短距離起降研究，所以空軍認為沒必要 X-29 上進行重複性研究，因此，X-29 和 ADEN 噴口的綜合工作一直僅限於風洞試驗。

1992 年美國空軍又使用 X-29 進行了尾旋控制的研究計劃，用來提升飛機在大迎角攻擊飛行時的控制性。第二架 X-29 被改裝來進行這項的研究（VFC）。增加了兩個高壓的氮氣瓶，控制閥及噴嘴，當飛機在大迎角攻擊飛行時用來注射氣流進入流過機鼻的渦流。在風洞測試中發現，注入的氣流會改變渦流的方向，並在機鼻部產生相應的力量改變或控制機鼻的方向。從 60 次的試驗飛行中證明當飛機在進行大迎角攻擊飛行，方向舵失效時，尾旋控制比產生偏向力來得有效。但 VFC 在抑制飛機側滑和搖擺振動時的功效並不顯著。

X-29 VFC 系統示意圖

X-29 項目驗證了幾種新的技術並使得已有成熟技術有了新的應用。這些包括：控制結構發散的氣彈剪裁，一對相當大的用於縱向控制的近距鴨翼；飛機控制具有很大的靜不定度但同時也提供了良好的控制品質；三翼面控制；在超音速飛行中使用的雙段後緣襟翼；大迎角攻擊的控制效能；尾旋控制；以及從總體設計考慮的軍事效用。

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