奇妙的翼型

赵二刚 武学永

1903年12月17日，在美国北卡罗莱纳州的沙滩上，莱特兄弟成功将“飞行者一号”飞上蓝天，标志着人类历史上首次有动力、载人、持续、可操纵的重于空气的飞行器——飞机诞生了。其实，在莱特兄弟创造这一壮举的同期，很多航空先驱都在做着类似的工作，每个人都希望自己能成为最先成功的那个幸运儿。那么，莱特兄弟是靠什么成为这场竞争的获胜者的呢？很多人后来分析认为，兄弟俩借助自己制造的风洞对机翼进行了大量细致的研究，是先人一步的重要原因之一。

细心的读者不难发现，包括“飞行者一号”在内的早期飞机的机翼看上去都十分单薄，与现代飞机粗厚的机翼完全不同。实际上，机翼的薄厚与其选用的翼型有关。翼型是指机翼沿飞机纵轴方向的剖面形状，它是空气动力学中一项重要的研究内容，是飞行器设计的重要一环。人类航空事业的飞速发展离不开对翼型的深入研究和全面认识。

莱特兄弟1901 年制造使用的风洞（复制品）

翼型的作用

要想弄清楚翼型的作用，首先要从升力的产生以及影响升力的因素说起。

翼型的重要参数

机翼如何产生升力

不同厚度翼型的失速特性

18 世纪，“流体力学之父”瑞士科学家丹尼尔·伯努利提出了著名的伯努利定理：在一个流体系统中，流体的速度越快，产生的压强越小；流速越慢，产生的压强越大。实际生活中，我们能直观地感受到伯努利原理：在火车和地铁站台上，沿着列车行进的方向会标出一条安全线，乘客必须在这条安全线以外候车，以保证人车之间有足够的空间。这是因为，当列车进站时会带动周围的空气一起移动，离车厢越近，空气移动得越快，乘客身前的空气流速大于身后，根据伯努利原理，身前受到的压强小于身后，前后压力差就像一只无形的“大手”，把身体推向列车。只有当乘客远离车厢，站在安全线以外时，才能确保安全。当然，由于地铁需要频繁上下车，现在很多城市的地铁站台都安装了屏蔽门，列车停稳后门才打开，这样就能彻底阻挡列车带起的气流，保证乘客的安全。

回到飞机上。当飞机在空中飞行时，气流被机翼分为上下两部分，上面空气的流速较快、压强较小，下面空气的流速较慢、压强较大，机翼上下表面产生的压力差就是升力。

理论上，飞机的迎角越大，机翼产生的升力也越大。但当迎角达到一定程度时，气流就会在机翼前缘提前分离，使中后部出现很多乱流。这时升力会急剧下降，阻力迅速增加，这种现象叫失速。出现失速的迎角叫临界迎角。

机翼的迎角

为了使气流更平滑地流过机翼，人们不断尝试将机翼剖面设计成各种形状，于是形形色色的翼型便出现了。可以说，翼型的出现是为了提高飞行效率，使机翼更加适合飞行。

翼型的发展

对翼型的研究，贯穿了人类整个航空发展史。早在欧洲文艺复兴时期，意大利人达·芬奇通过长期观察鸟类的飞行，完成了著作《论鸟的飞行》。他设计的扑翼机，其机翼已经具备一定的剖面形状，而且设计思路与现代飞机的翼肋蒙皮结构也十分相似。

航空先驱李林塔尔长期观察、研究和总结鸟类的飞行，第一次提出了曲面机翼比平面机翼升力大的观点。他认为，人类实现飞行的关键因素是机翼的曲率和弯度，并于1891 年仿照鸟的翅膀设计制作了一架滑翔机，成功飞行30 多米。

几种常见的翼型

李林塔尔对飞行事业贡献巨大，一生共完成2000多次滑翔实验，最远飞行距离超过300 米。莱特兄弟飞行事业的成功，离不开李林塔尔思想的启发，“飞行者一号”上使用的翼型就与李林塔尔设计的翼型十分相似。

之后，随着对飞行的认识逐渐加深，人们设计出了更多的翼型来满足不同的飞行要求。常见的翼型可分为平板翼型、弯板翼型、凹凸翼型、平凸翼型、双凸翼型、S 形翼型和菱形翼型等。

平板是最简单的一种翼型，但其空气动力特性很不好。当迎角为零度时，平板翼型只会产生粘性阻力，不会产生升力；只有增加到较小的正迎角时，它才会产生升力；但当迎角进一步增大，超过临界值时，整个上翼面都会变成气流分离区，升力将突然下降，即发生失速。因此，平板翼型在现代飞机上已经绝迹，只有一些制作和构造简单的航空模型上还在使用。

为了改进失速特性，改善气流在前缘的流动情况，人们采用前缘向下弯曲的翼型来代替平板，这种翼型与莱特兄弟的“飞行者一号”使用的翼型十分相似。弯板翼型可以消除气流的前缘分离现象，但这种消除仅限在一定迎角范围内，一旦超出该范围，前缘分离仍会出现，因此弯板翼型只是在一定程度上改善了平板翼型的性能。

人们认识到，加大剖面厚度，也会提升升力特性，于是凹凸翼型出现了。这种翼型虽然升力特性好，升力很大，但伴随而来的是阻力会显著增大，升阻比并不大，因此只能用在速度很低的飞机上。

由于特殊的形状，平凸翼型和双凸翼型即使在零度迎角时也能产生升力，空气动力特性不错。这类翼型易于加工制作，而且厚度较大，不但强度有保证，还便于工程师在机翼内布置起落架、油箱等部件，被广泛应用在亚声速飞机上。

平板翼型在大迎角下的气流情况

S 形翼型的中弧线呈“S”形，后缘略向上翘，通常应用在飞翼布局的飞行器上。菱形翼型的特点是前后缘都很尖锐，相对厚度小，超声速飞行时阻力小，因此常用在超声速飞机上。但它在低速时的升力和阻力特性欠佳，不利于飞机的起降。

对翼型的认识和研究，就是人类不断探索飞行的缩影。在航空领域，我们要保持好奇，不懈追求，去揭开更多的飞行奥秘。