奇妙的翼型

趙二剛 武學永

1903年12月17日，在美國北卡羅萊納州的沙灘上，萊特兄弟成功將“飛行者一號”飛上藍天，標志著人類歷史上首次有動力、載人、持續、可操縱的重于空氣的飛行器——飛機誕生了。其實，在萊特兄弟創造這一壯舉的同期，很多航空先驅都在做著類似的工作，每個人都希望自己能成為最先成功的那個幸運兒。那么，萊特兄弟是靠什么成為這場競爭的獲勝者的呢？很多人后來分析認為，兄弟倆借助自己制造的風洞對機翼進行了大量細致的研究，是先人一步的重要原因之一。

細心的讀者不難發現，包括“飛行者一號”在內的早期飛機的機翼看上去都十分單薄，與現代飛機粗厚的機翼完全不同。實際上，機翼的薄厚與其選用的翼型有關。翼型是指機翼沿飛機縱軸方向的剖面形狀，它是空氣動力學中一項重要的研究內容，是飛行器設計的重要一環。人類航空事業的飛速發展離不開對翼型的深入研究和全面認識。

萊特兄弟1901 年制造使用的風洞（復制品）

翼型的作用

要想弄清楚翼型的作用，首先要從升力的產生以及影響升力的因素說起。

翼型的重要參數

機翼如何產生升力

不同厚度翼型的失速特性

18 世紀，“流體力學之父”瑞士科學家丹尼爾·伯努利提出了著名的伯努利定理：在一個流體系統中，流體的速度越快，產生的壓強越??；流速越慢，產生的壓強越大。實際生活中，我們能直觀地感受到伯努利原理：在火車和地鐵站臺上，沿著列車行進的方向會標出一條安全線，乘客必須在這條安全線以外候車，以保證人車之間有足夠的空間。這是因為，當列車進站時會帶動周圍的空氣一起移動，離車廂越近，空氣移動得越快，乘客身前的空氣流速大于身后，根據伯努利原理，身前受到的壓強小于身后，前后壓力差就像一只無形的“大手”，把身體推向列車。只有當乘客遠離車廂，站在安全線以外時，才能確保安全。當然，由于地鐵需要頻繁上下車，現在很多城市的地鐵站臺都安裝了屏蔽門，列車停穩后門才打開，這樣就能徹底阻擋列車帶起的氣流，保證乘客的安全。

回到飛機上。當飛機在空中飛行時，氣流被機翼分為上下兩部分，上面空氣的流速較快、壓強較小，下面空氣的流速較慢、壓強較大，機翼上下表面產生的壓力差就是升力。

理論上，飛機的迎角越大，機翼產生的升力也越大。但當迎角達到一定程度時，氣流就會在機翼前緣提前分離，使中后部出現很多亂流。這時升力會急劇下降，阻力迅速增加，這種現象叫失速。出現失速的迎角叫臨界迎角。

機翼的迎角

為了使氣流更平滑地流過機翼，人們不斷嘗試將機翼剖面設計成各種形狀，于是形形色色的翼型便出現了?？梢哉f，翼型的出現是為了提高飛行效率，使機翼更加適合飛行。

翼型的發展

對翼型的研究，貫穿了人類整個航空發展史。早在歐洲文藝復興時期，意大利人達·芬奇通過長期觀察鳥類的飛行，完成了著作《論鳥的飛行》。他設計的撲翼機，其機翼已經具備一定的剖面形狀，而且設計思路與現代飛機的翼肋蒙皮結構也十分相似。

航空先驅李林塔爾長期觀察、研究和總結鳥類的飛行，第一次提出了曲面機翼比平面機翼升力大的觀點。他認為，人類實現飛行的關鍵因素是機翼的曲率和彎度，并于1891 年仿照鳥的翅膀設計制作了一架滑翔機，成功飛行30 多米。

幾種常見的翼型

李林塔爾對飛行事業貢獻巨大，一生共完成2000多次滑翔實驗，最遠飛行距離超過300 米。萊特兄弟飛行事業的成功，離不開李林塔爾思想的啟發，“飛行者一號”上使用的翼型就與李林塔爾設計的翼型十分相似。

之后，隨著對飛行的認識逐漸加深，人們設計出了更多的翼型來滿足不同的飛行要求。常見的翼型可分為平板翼型、彎板翼型、凹凸翼型、平凸翼型、雙凸翼型、S 形翼型和菱形翼型等。

平板是最簡單的一種翼型，但其空氣動力特性很不好。當迎角為零度時，平板翼型只會產生粘性阻力，不會產生升力；只有增加到較小的正迎角時，它才會產生升力；但當迎角進一步增大，超過臨界值時，整個上翼面都會變成氣流分離區，升力將突然下降，即發生失速。因此，平板翼型在現代飛機上已經絕跡，只有一些制作和構造簡單的航空模型上還在使用。

為了改進失速特性，改善氣流在前緣的流動情況，人們采用前緣向下彎曲的翼型來代替平板，這種翼型與萊特兄弟的“飛行者一號”使用的翼型十分相似。彎板翼型可以消除氣流的前緣分離現象，但這種消除僅限在一定迎角范圍內，一旦超出該范圍，前緣分離仍會出現，因此彎板翼型只是在一定程度上改善了平板翼型的性能。

人們認識到，加大剖面厚度，也會提升升力特性，于是凹凸翼型出現了。這種翼型雖然升力特性好，升力很大，但伴隨而來的是阻力會顯著增大，升阻比并不大，因此只能用在速度很低的飛機上。

由于特殊的形狀，平凸翼型和雙凸翼型即使在零度迎角時也能產生升力，空氣動力特性不錯。這類翼型易于加工制作，而且厚度較大，不但強度有保證，還便于工程師在機翼內布置起落架、油箱等部件，被廣泛應用在亞聲速飛機上。

平板翼型在大迎角下的氣流情況

S 形翼型的中弧線呈“S”形，后緣略向上翹，通常應用在飛翼布局的飛行器上。菱形翼型的特點是前后緣都很尖銳，相對厚度小，超聲速飛行時阻力小，因此常用在超聲速飛機上。但它在低速時的升力和阻力特性欠佳，不利于飛機的起降。

對翼型的認識和研究，就是人類不斷探索飛行的縮影。在航空領域，我們要保持好奇，不懈追求，去揭開更多的飛行奧秘。