机翼形状与飞行速度

马庆恒

飞机能上天，这是机翼产生升力的结果。但是飞机上天后，机翼也产生阻力，影响飞机前进，所以机翼的形状、大小关系到飞机的速度。随着气动理论的完善、制造工艺的提高以及新材料的不断应用，机翼的性能经过多次改进，已今非昔比。

早期的飞机机翼都是平直的。最初是矩形机翼，很容易制作。但由于其翼端宽，会给飞机带来阻力，严重地影响了飞机的飞行速度。为此，人们曾设计了一种椭圆形机翼。这种新机翼的翼端虽然窄了，但其制作工艺却十分复杂，很难制作。后来，人们又设计出了梯形机翼。梯形机翼兼具矩形和椭圆形机翼之长，制作也比较方便，尽管仍有一个小小的翼尖，但阻力还不算大。因此，20世纪30年代至40年代末，梯形平直机翼几乎一统天下。二战中出名的飞机如美国的P－51、苏联的杜－2、日本的“零”式战斗机等都是梯形平直机翼。

1945年，英国研制了两架飞机，安装了当时最先进的喷气发动机，飞机平飞的最大速度达到974千米/小时。若从12000米高度俯冲到9000米高度时，速度甚至达到1120千米/小时，接近音速。但机翼上出现了“激波”：使机翼表面的空气压力发生变化，空气作用力的总作用点后移，飞机会自动俯冲。当时飞机的操纵系统和舵面的大小等，都没有考虑这种隋况，所以不可能把俯冲状态中的飞机拉起来平飞。大角度的俯冲，使飞机增速更快，最后，超出它本身能承受的强度，所以飞机就散架解体了。

机翼上产生激波后，飞机的阻力会急剧增加，比低空飞行大十倍甚至几十倍，所以即使使用喷气式发动机，也很难使飞机超音速。当时把这种困难叫做“音障”。德国人发现，把飞机的机翼做成后掠的形式，像燕子的翅膀，可以延迟“激波”的产生，减少阻力，也可以缓和飞机接近音速时自动俯冲的不稳定现象。1948年，美国在F－86战斗机上应用后掠机翼。原苏联在上个世纪40年代末期，也研制出带后掠机翼的喷气式歼击机“米格”－15。进入20世纪50年代，世界上超音速飞机的翅膀几乎全都是后掠机翼的。

20世纪五六十年代，人们设计飞机的指导思想是越高越快就越好。为了达此目的，机翼的后掠角越来越大。而为了保证飞机的安全，又要加重钢梁，加厚蒙皮。但飞机重量增加了，又直接影响飞机的速度和高度。怎么办?人们把后掠机翼的前缘和平直机翼的后缘结合起来，设计制作出了三角机翼。从俯视角度看，三角机翼飞机的两只机翼连接起来是一个等腰三角形，刚度明显增强。1963年8月试飞的美国、SR－71飞机就是三角机翼，其大部分用钛合金制成，最大飞行速度相当于音速的3.5倍，飞行高度可达2.4万米。法国“幻影”系列飞机也采用了三角机翼。20世纪60年代三角机翼又风靡一时。

飞机机翼采取向后掠的形式后，又出现了新问题，它比不向后斜的普通机翼在同样条件下产生的升力小。飞机起飞时，要滑跑到很大速度，才能使升力等于重量，然后飞机才能离去，跑道要很长，着陆的情况也一样。因此，现代歼击机起飞跑道多在1000米以上，重型轰炸机起飞跑道大于2000米。所以现代大型机场跑道的长度都要超过3000米，战时很容易被敌人破坏。在空中巡航时，后掠翼飞机比普通机翼飞机耗费油料多，航程也会受影响。

于是，有人研究出一个方案，就是使机翼能改变后掠角。起飞、着陆和巡航时，机翼在平直位置；要飞大速度时，机翼向后斜。要想让一架普通飞机改变它的机翼后掠角，首先要解决飞机的平衡问题。原来机翼在平直位置平衡好的飞机，当机翼向后转、加大后掠角时，升力作用点向后移，飞机会低头俯冲，不能飞行。经过多次试验，1964年，世界上第一架变后掠翼飞机F－111终于研制成功。这种飞机在起飞、着陆和低速飞行时，其两翼尽量伸直，后掠角只有16度，从而具备了平直机翼升力大的特点；而在高速飞行时，它的两翼又尽量后掠，后掠角可达72.5度，变得像三角机翼一样，因此能够轻易突破“音障”。其后苏联也相继推出了变后掠翼飞机“米格”一23、苏－20和苏－24等。

要改变机翼的后掠角，其实是很难的。机翼前后转动，要用很大的轴承和坚固的结构，这样，变后掠翼飞机的重量要增大。不过，随着气动力学的发展，人们发现边条机翼可以为其后方的基本机翼提供升力。所谓边条机翼就是在基本机翼根部前缘加装一条后掠角大于70度的边条。边条机翼既具有变后掠翼高低速兼优的性能，又具有重量轻、构造简单的特点。难怪今天许多新式飞机都采用了边条机翼。边条机翼的应用使许多重型战斗机的起飞、着陆性能大幅度提高。如苏，27的起飞滑跑距离仅400米，着陆滑跑距离也只有550米，对机场的依赖明显减小，甚至可以在土跑道上起降。1974年2月试飞的F－16也采用了边条机翼。

在发现边条机翼优越性的同时，人们也认识到了翼身融合的优点。机翼和机身融合为一体，可大幅度地降低阻力，提高整机的升力，减轻结构重量。飞机还可由此得到更大的机内空间，使其载油量增加，从而具有更长的航时和航程。1989年7月首飞的美国B－2战斗机一经亮相便以其独特的外形引起了世人的注意。它在海湾战争和科索沃战争中战绩不凡，备受军界的青睐。

在机翼形状的演变过程中，有的机翼类型被淘汰了，如变后掠机翼因结构复杂、重量增大，20世纪90年代新研制的飞机几乎都不采用这种机翼了；更多的机翼种类则互相融合、取长补短，变幻出不同的形式。100多年来，飞机翅膀的变化展现了人类无尽的创造力。随着科学技术的飞速发展，不久的将来，一定还会出现许多现在还无法想像的新式飞机和新形机翼。