从双翼到单翼飞机“翅膀”的演化史

依蔓 史庆起

 现代飞机多为单翼机，根据机翼的数量，飞机可以分为单翼机、双翼机和多翼机（通常有3副及以上机翼的飞机统称为多翼机）

现在，我们看到的飞机多为单翼机，即左右各有一个机翼。但是，世界上第一架飞机其实是双翼机。飞机设计师是如何将机翼数量“化繁为简”的呢？

18世纪后期到19世纪上半叶，英国空气动力学家乔治·凯利，通过对鸟类飞行原理，以及鸟翼面积、鸟的体重与飞行速度的大量观察研究，发现机翼产生的升力与飞行速度的平方及机翼的面积存在着成正比的关系，此外，升力系数还会随机翼的迎角发生变化。

1903年12月17日，美国莱特兄弟借助乔治·凯利的理论和德国滑翔飞行家李林达尔的滑翔飞行数据，研制出了一架双翼机。作为世界上第一架可操纵、带动力、可载人、可持续稳定飞行的飞机，这被认为是飞机诞生的标志。6年后的1909年，世界首架单翼机也试飞成功。

自飞机问世以来，飞机设计师不断尝试各种方法，以求提高飞机的升力。根据升力公式：

机翼升力=  ×空气密度×速度的平方×机翼的面积×机翼升力系数

即机翼产生的升力与飞行速度的平方和机翼面积成正比。但起初，飞机发动机功率不足，飞行速度较慢且很难提升。于是，设计师设想通过增加机翼面积来获得较大的升力。

要增加机翼面积，其中一个方法是增加机翼的展弦比。一般来说，展弦比越大，飞机机翼越细长，升力系数越大；反之，展弦比越小，飞机机翼越粗短，升力系数越小。这点在自然界也有体现——需要长距离或长时间飞行的鸟类，通常具有大展弦比的翅膀；需要良好机动性的鸟类，翅膀的展弦比则相对较小。

 现代民航客机与战斗机的比较：民航客机（左图）的机翼相对细长，能提供较大的升力；战斗机的机翼相对粗短，能提供更好的机动性

不过，由于早期飞机的材料以木材为主，如果翼展过大，机翼容易折断，设计师因此不得不考虑将机翼设计成双层翼甚至多层翼的布局。

无论双层翼还是多层翼布局，都是解决当时飞机速度不高、材料受限、自重较大的折中方案。特别是多翼机，其机翼结构相当复杂，这大大增加了飞行阻力，使得同样动力条件下，飞机飞行速度的提升难度更大。如此的先天不足，也决定了多翼机昙花一现的历史命运。

虽然第一次世界大战期间（1914年7月28日—1918年11月11日）单翼战斗機就已经出现，但由于结构、材料和工艺等方面的限制，当时人们普遍认为单翼机结构单薄，安全性和稳定性不如双翼机。

 早期飞机由于材料技术的限制，有很多支架等设计，主要目的是增加机身与机翼的结构强度

 早期的双翼机在进行试飞。双翼机飞得慢，容易获得升力，不需要太长的跑道即可起飞，目前在飞行表演等场景中仍有应用

然而伴随着航空科技的快速发展，20世纪20年代后半期到30年代，世界航空工业迎来了承前启后的发展“黄金期”——发动机技术改良，大大提升了飞机的发动机功率，进而提高了飞行速度，为单翼机靠速度提升升力创造了前提条件；各种金属材料，以及相应的加工工艺不断改进，使单翼机一改以往的“单薄”形象，结构强度迈上新高度；科学家在空气动力学领域也不断取得新的研究成果，迎来了流线型外形的新时代。就这样，外形“干净简单”的单层翼飞机，凭借重量轻、阻力小、气动性更好的优势最终取代了双翼机，成为今天飞机的主要形式。

飞机作为一项改变世界的发明，身上的每个部件都不简单，单在飞机“翅膀”数量这一方面，就蕴含这么多科学道理。对于飞机的“翅膀”，你还知道哪些知识？

机翼的展弦比为翼展与机翼平均几何弦长的比值，也可以用翼展的平方与机翼面积的比值来表示。

翼展指固定翼飞机左右翼尖之间的距离，弦长指翼弦的长度，翼弦即翼型（也叫翼剖面）前缘点与后缘点之间的连线。由于大多数飞机机翼不同位置的翼弦不一样长，例如翼根弦长与翼尖弦长，因此一般常用的弦长参数为平均几何弦长，即取翼根弦长与翼尖弦长的平均值。

（责任编辑 / 张丽静  美术编辑 / 周游）