F-5E/F戰機如何能具備超強的纏鬥能力

最近，在我國空軍服役數十載的F-5E/F戰機即將功成身退，後續訓練空軍飛官的任務將交給勇鷹高教機。F-5是一款纏鬥性能很好的輕型戰機（尤其是在它剛服役的那個年代），而為何它能夠有如此優良的纏鬥性能呢？這就不得不提到一個從它身上才開始有的重要設計——翼前緣延伸翼（Leading Edge Root Extension, 簡寫為LERX或LEX，有時也稱為邊條翼）。

翼前緣延伸翼，指的是機翼翼根前方、與機身相連接、平順過度前機身與主翼的小型翼面。它最重要的功能，在於可以讓主翼在高攻角飛行時產生更大的升力，以利飛機進行爬升、轉彎等纏鬥動作。至於其中的原理，就要從渦流的發生說起。

位於F-5的機翼翼根前方、和機身接合的翼前緣延伸翼。/ 作者攝

我們先來探討發生在機翼翼尖的渦流。考慮一架以低攻角保持平飛的飛機，其機翼的下表面高壓、上表面低壓，這上下表面的壓力差，與機翼本身的翼面積，兩者相乘，就能得到維持飛機飛行的升力。然而，機翼下表面高壓、上表面低壓的狀態，會造成一個問題：在機翼的末端，也就是翼尖，由於空氣有從高壓向低壓流的傾向，高壓的下表面氣流會往上流到氣壓較低的上表面，而導致翼尖處的上下表面氣流捲在一起，形成渦流。這個渦流會導致升力的損失（因為在翼尖處，機翼下表面的高壓氣流，和上表面的低壓氣流，都被「取走」了一部分去生成翼尖渦流），且它會將機翼後方的下洗氣流再往下帶，造成額外下洗，所以等效的從另一個角度來看，飛機必須以更大的攻角飛行，才能讓其機翼的升力大小對應到「不存在翼尖渦流、氣流沒有額外下洗量的理想情況下」的升力大小，而更大的攻角就意味著更大的阻力，故翼尖渦流所帶來的影響也可視為是在增加飛機的阻力（這部分就稱為誘導阻力）。

只要飛機有在飛行、機翼有在產生升力，那機翼的上下表面就會存在壓力差，翼尖渦流就無可避免；其中，當飛機在爬升或轉彎時，由於機翼的攻角通常會更大、縫翼或襟翼通常會放得更多，翼尖渦流的現象就會更嚴重。

從高攻角時的「氣流視角」來看翼前緣延伸翼，其外側會產生強烈渦流，加強後方主翼上表面的邊界層氣流 。/作者攝

乍聽之下，渦流似乎是個壞的東西。對於發生在主翼末端的翼尖渦流來說，的確如此，況且戰鬥機為了超音速飛行，不可能採取像民航機那樣使用高展弦比（也就是細長型）機翼、加裝翼尖小翼，或像二戰時的噴火式戰機一樣使用橢圓形翼面等降低翼尖渦流強度的措施。

不過，從F-5開始的戰機發現了渦流的「妙用」，就是在機翼翼根前緣加裝一個展弦比極低（也就是粗短型）的小型翼面；在低攻角時，翼前緣延伸翼的效用相對不明顯，僅相當於增加了主翼的表面積，但當飛機以高攻角飛行時（如進行空戰纏鬥時），這個翼前緣延伸翼由於展弦比極低，所以面對迎來的氣流，它所產生的上下表面壓力差，會在其外側（意義上就是「翼前緣延伸翼的翼尖」）產生很強烈的渦流，此時的渦流反而會帶來巨大好處：該渦流會向後流到主翼根部，加強（或者說注入）主翼上方的邊界層氣流（邊界層是攀附於物體表面，速度由零逐漸過度到外部自由流流速的很薄的一層氣流），使得邊界層氣流由一般的層流邊界層為主轉為紊流邊界層為主，由於紊流邊界層有更多的能量（更仔細的說是紊流邊界層氣流內，較內部和較外部各層之間的氣流動量有更好的交換），使得它可以更強的攀附於機翼的上表面，讓高攻角狀態下的機翼升力增加、阻力減少，同時延後飛機產生失速（機翼上表面氣流剝離）時的攻角，如此一來，戰機飛行員就能夠以更高的臨界攻角飛行、獲得更大的升力去進行爬升、轉彎等空戰機動。

F-CK-1在進行轉彎時，翼前緣延伸翼產生的渦流流到後方主翼上，以及翼尖產生渦流造成誘導阻力的情形。 /攝影：Jepuo Tsai

翼前緣延伸翼這種在高攻角時刻意製造渦流，來加強主翼升力特性、增加飛機可用攻角的設計，大大的強化了戰機的纏鬥性能。F-5是最早採用這種設計的大規模量產戰機，後續的F-16、F/A-18、F-CK-1，以及MiG-29、Su-27系列，也都有採用類似的設計來加強高攻角性能。此外，由前述內容可知，翼尖渦流強度越小越好、翼前緣延伸翼的渦流在高攻角時則越大越好，F-5E/F、F/A-18E/F就是典型的「面積相對大的翼前緣延伸翼+較其他戰機展弦比相對高的主翼」的設計，不過，提高主翼展弦比會付出超音速飛行時震波阻力上升的代價，但這對不以高速攔截任務為主（如幻象）而是以纏鬥為主的機型來說，是比較可以接受的。

從另一個角度看翼前緣延伸翼的渦流與翼尖渦流。這張圖中，由於飛機正在轉彎，所以翼尖渦流才會看起來是往後上方流，實際上它一般是幾乎往正後方流的。/ 攝影：Jepuo Tsai

翼前緣延伸翼除了帶來上述製造渦流、加強飛機高攻角升力特性的好處外，其他的功用還有平順的過度機身和機翼（即「翼胴融合」），讓整架飛機縱向的截面積變化更平順、降低超音速阻力，以及使機翼翼根與機身有更長更大的接合面，算是一種結構設計上的優化，能夠幫助飛機減重。

在氣動的效果方面，鴨式佈局的鴨翼翼尖也會產生渦流，並向後流到主翼上方，在主翼上方形成低壓區、增加主翼升力，亦能產生類似效果；甚至B787、A350等民航機的引擎帆罩外側的小鰭片，也是同樣的「渦流產生器（vortex generator）」設計，能讓飛機機翼在起降階段低速高攻角時有更好的升阻比、縮短起降所需的滑跑距離等。

※作者畢業於成功大學航空太空工程學系，著有《戰鬥機設計與運作原理》。