人类为自己打造的翅膀，有多少奥秘

高新宇　于舟

雄鹰展翅，伴着凛冽的山风，一次次抒发对白云的向往;麻雀抖羽，把低矮的屋檐营造成温馨的天堂，翅膀让雄鹰和麻雀脱离了地球引力。鹰翔雀飞，虽未在空中留下痕迹，却让人们产生了对翅膀的向往。

飞机的机翼就是人类为自己打造的一双翅膀。依靠这双翅膀，人类实现了飞行梦想。

机翼是飞机上最重要的空气动力部件，是飞机升力的主要来源，它不仅把飞机托举到白云之上，其构型与材质也在很大程度上决定着飞机的各项性能。自从1903年莱特兄弟在基蒂霍克寒冷的海风里，驾驶着飞行者1号实现了艰难一跃，此后100多年间，飞机的机翼从材料选用到布局形式，都发生了翻天覆地的变化。

木头

最早的飞机是木头飞机，当然机翼也是木质机翼。飞机诞生初期，飞行速度低、载重小，机翼承受的载荷不高，采用木质材料完全能满足使用要求。因此，在20世纪20年代之前，木质结构一直是飞机机翼的主流。

这一时期的机翼蒙皮常采用涂过清漆的亚麻布，翼肋等骨架结构常用云杉木制作。早期飞机大多采用双机翼。由于飞机动力不够强劲、飞行速度慢，为了获得更大的升力，只能采用增加机翼面积的方式，从而产生了双机翼飞机甚至三机翼飞机。莱特兄弟的飞行者1号，就是一架典型的双翼飞机。

一战期间最负盛名的王牌飞行员里希特霍芬，曾创下击落80架敌机的惊人纪录。他驾驶的红色的福克Dr-I三翼机也成为那个时代的传奇。

杜拉铝

随着科技进步，飞机性能不断提高，飞行速度越来越快，载重也越来越大，木质材料强度不高、易燃易腐的先天不足就显现了出来。谁能取而代之？杜拉铝应运而生。于是，木质机翼退出了历史舞台，金属机翼取而代之，航空史开始进入金属飞机时代。机翼结构材料先后有铝合金、结构钢、钛合金等，而蒙皮则由亚麻布换成了铝。

由于发动机性能不断提高，飞机飞行速度直线提升，双机翼、三机翼及其繁复的支柱、张线，成为阻碍飞机提速的障碍。于是，人们摒弃了双机翼和三机翼，专注研发单机翼。从20世纪30年代起，双翼机逐渐被单翼机取代。

再后来，随着飞机速度的不断提高，特别是超声速飞行的实现，机翼形状必须发生适应性演变。相较于早期的平直翼机翼，出现了后掠机翼、三角机翼、梯形机翼、变后掠机翼、前掠机翼等。机翼的功能也得到了极大丰富，战斗机或轰炸机在机翼下布置多种外挂，如副油箱、导弹、炸弹、任务吊舱，机翼内部空间常用来储存燃油、收藏起落架。特别是民航客机，为了保证旅客安全，全部将燃油储存在机翼内，这也催生出了机翼整体结构油箱。

复合材料

到了20世纪70年代，复合材料开始在飞机上得到运用，并由次承力构件向主承力构件过渡，先出现了复合材料与金属的混合机翼，后发展为全复合材料机翼。进入21世纪，航空史正式步入复合材料时代。

复合材料是指由两种或多种不同性能、不同形态的组分材料，通过一定的工艺过程组合而成的一类材料，生活中常见的钢筋混凝土、三合板、石棉水泥板都是复合材料。飞机机翼常采用的碳纤维复合材料，就是通过将碳纤维与树脂在一定温度下固化成形的一种材料。在新一代民用飞机中，空客A380、A350和波音787的机翼均大量运用复合材料。与金属材料相比，复合材料拥有更高的强度和刚度，并且可设计性更强，这样制造出来的机翼重量更轻，气动外形更佳，飞行阻力更小。

可以预期，随着高效气动技术、主动结构技术、先进制造技术等的进步，特别是纳米材料、智能材料、多功能复合材料等新材料的快速发展，未来飞机的机翼，无论是构型还是材质，都将发生让人耳目一新的变化，可能会出现自主可变机翼、柔性折叠机翼、智能感知机翼，还有像鸟儿那样可扇动的扑翼。

飞机能够飞翔，就是因为有机翼吗

这个问题的答案，可不是因为飞机有机翼这么简单。这背后是空气动力学原理。

两类航空器

航空器按飞行原理分类，可以分为轻于空气的航空器和重于空气的航空器两大类。轻于空气的航空器，其飞行原理是空气静力学原理，比如热气球、飞艇，靠空气的浮力升空;而重于空气的航空器主要遵循空气动力学原理或反作用力原理，以飞机为代表的固定翼航空器，主要靠機翼的升力支持它在空中飞行。

两个基本定理

机翼上产生的升力是飞机与空气相对运动的结果，它基于空气动力学两个最基本的定理：伯努利定理和流体连续性原理。理解了这两个原理，飞机怎么飞起来的就好理解了。

1.伯努利定理。瑞士科学家伯努利通过研究理想流体运动中速度、压力、密度等参数间的关系，找到了它们变化的规律，即伯努利方程。简单来说，就是流体的流速与其压强成反比，空气流动得越快，空气的压力就越小。

做一个简单的小试验，能帮你更直观地理解伯努利原理。剪两条等长等宽的纸条，将它们悬空垂直并排摆放，并从上方向纸条间吹气。我们可以发现，纸条不仅没被吹开，反而吸在了一起。这就是伯努利原理的具体体现。因为两纸条间的空气流动，压力变小，而两纸条外侧的空气没有流动，压力相对增大，纸条便被空气往里压紧了。

2.流体连续性定理。可以简单表述为：根据质量守恒定理，当一定质量的气体流经截面变化的管道时，在同一时段内，流过任何截面的气体质量都是相等的。当空气流速较低时，空气密度变化很小，或者说空气是不可压缩的。这时，你可以想象，气流稳定地流过直径变化的管子时，每秒流入多少空气，也流出等量的空气，所以管径粗处的气流速度较小，而管径细处较大。

机翼的奥秘

近距离观察机翼构造，不难发现，飞机机翼上下两侧的形状是不一样的，上面的要凸一些，下面的则要平一些，这正是飞机升力产生的奥秘所在。

飞机滑跑和飞行时，机翼与空气做相对运动，可以认为空气沿机翼流动。气流流过翼剖面时，可以想象翼剖面放在一个空气构成的大流管中。

空气流经翼剖面时，相同时间内，翼剖面上侧的空气比下侧的空气流过了更多的路程，也就是说，上侧空气流速快、压强小，下侧空气流速慢、压强大，这就使飞机产生了一个向上的升力。机翼上众多翼剖面的升力之和构成了机翼的总升力。而当飞机滑跑到一定速度，升力超过飞机重力的时候，飞机就飞起来了。

本文内容来自公众号“航空工业”，ID：avic-2008