機翼形狀與飛行速度

馬慶恒

飛機能上天，這是機翼產(chǎn)生升力的結(jié)果。但是飛機上天后，機翼也產(chǎn)生阻力，影響飛機前進，所以機翼的形狀、大小關(guān)系到飛機的速度。隨著氣動理論的完善、制造工藝的提高以及新材料的不斷應(yīng)用，機翼的性能經(jīng)過多次改進，已今非昔比。

早期的飛機機翼都是平直的。最初是矩形機翼，很容易制作。但由于其翼端寬，會給飛機帶來阻力，嚴重地影響了飛機的飛行速度。為此，人們曾設(shè)計了一種橢圓形機翼。這種新機翼的翼端雖然窄了，但其制作工藝卻十分復(fù)雜，很難制作。后來，人們又設(shè)計出了梯形機翼。梯形機翼兼具矩形和橢圓形機翼之長，制作也比較方便，盡管仍有一個小小的翼尖，但阻力還不算大。因此，20世紀30年代至40年代末，梯形平直機翼幾乎一統(tǒng)天下。二戰(zhàn)中出名的飛機如美國的P－51、蘇聯(lián)的杜－2、日本的“零”式戰(zhàn)斗機等都是梯形平直機翼。

1945年，英國研制了兩架飛機，安裝了當時最先進的噴氣發(fā)動機，飛機平飛的最大速度達到974千米/小時。若從12000米高度俯沖到9000米高度時，速度甚至達到1120千米/小時，接近音速。但機翼上出現(xiàn)了“激波”：使機翼表面的空氣壓力發(fā)生變化，空氣作用力的總作用點后移，飛機會自動俯沖。當時飛機的操縱系統(tǒng)和舵面的大小等，都沒有考慮這種隋況，所以不可能把俯沖狀態(tài)中的飛機拉起來平飛。大角度的俯沖，使飛機增速更快，最后，超出它本身能承受的強度，所以飛機就散架解體了。

機翼上產(chǎn)生激波后，飛機的阻力會急劇增加，比低空飛行大十倍甚至幾十倍，所以即使使用噴氣式發(fā)動機，也很難使飛機超音速。當時把這種困難叫做“音障”。德國人發(fā)現(xiàn)，把飛機的機翼做成后掠的形式，像燕子的翅膀，可以延遲“激波”的產(chǎn)生，減少阻力，也可以緩和飛機接近音速時自動俯沖的不穩(wěn)定現(xiàn)象。1948年，美國在F－86戰(zhàn)斗機上應(yīng)用后掠機翼。原蘇聯(lián)在上個世紀40年代末期，也研制出帶后掠機翼的噴氣式殲擊機“米格”－15。進入20世紀50年代，世界上超音速飛機的翅膀幾乎全都是后掠機翼的。

20世紀五六十年代，人們設(shè)計飛機的指導(dǎo)思想是越高越快就越好。為了達此目的，機翼的后掠角越來越大。而為了保證飛機的安全，又要加重鋼梁，加厚蒙皮。但飛機重量增加了，又直接影響飛機的速度和高度。怎么辦?人們把后掠機翼的前緣和平直機翼的后緣結(jié)合起來，設(shè)計制作出了三角機翼。從俯視角度看，三角機翼飛機的兩只機翼連接起來是一個等腰三角形，剛度明顯增強。1963年8月試飛的美國、SR－71飛機就是三角機翼，其大部分用鈦合金制成，最大飛行速度相當于音速的3.5倍，飛行高度可達2.4萬米。法國“幻影”系列飛機也采用了三角機翼。20世紀60年代三角機翼又風(fēng)靡一時。

飛機機翼采取向后掠的形式后，又出現(xiàn)了新問題，它比不向后斜的普通機翼在同樣條件下產(chǎn)生的升力小。飛機起飛時，要滑跑到很大速度，才能使升力等于重量，然后飛機才能離去，跑道要很長，著陸的情況也一樣。因此，現(xiàn)代殲擊機起飛跑道多在1000米以上，重型轟炸機起飛跑道大于2000米。所以現(xiàn)代大型機場跑道的長度都要超過3000米，戰(zhàn)時很容易被敵人破壞。在空中巡航時，后掠翼飛機比普通機翼飛機耗費油料多，航程也會受影響。

于是，有人研究出一個方案，就是使機翼能改變后掠角。起飛、著陸和巡航時，機翼在平直位置；要飛大速度時，機翼向后斜。要想讓一架普通飛機改變它的機翼后掠角，首先要解決飛機的平衡問題。原來機翼在平直位置平衡好的飛機，當機翼向后轉(zhuǎn)、加大后掠角時，升力作用點向后移，飛機會低頭俯沖，不能飛行。經(jīng)過多次試驗，1964年，世界上第一架變后掠翼飛機F－111終于研制成功。這種飛機在起飛、著陸和低速飛行時，其兩翼盡量伸直，后掠角只有16度，從而具備了平直機翼升力大的特點；而在高速飛行時，它的兩翼又盡量后掠，后掠角可達72.5度，變得像三角機翼一樣，因此能夠輕易突破“音障”。其后蘇聯(lián)也相繼推出了變后掠翼飛機“米格”一23、蘇－20和蘇－24等。

要改變機翼的后掠角，其實是很難的。機翼前后轉(zhuǎn)動，要用很大的軸承和堅固的結(jié)構(gòu)，這樣，變后掠翼飛機的重量要增大。不過，隨著氣動力學(xué)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)邊條機翼可以為其后方的基本機翼提供升力。所謂邊條機翼就是在基本機翼根部前緣加裝一條后掠角大于70度的邊條。邊條機翼既具有變后掠翼高低速兼優(yōu)的性能，又具有重量輕、構(gòu)造簡單的特點。難怪今天許多新式飛機都采用了邊條機翼。邊條機翼的應(yīng)用使許多重型戰(zhàn)斗機的起飛、著陸性能大幅度提高。如蘇，27的起飛滑跑距離僅400米，著陸滑跑距離也只有550米，對機場的依賴明顯減小，甚至可以在土跑道上起降。1974年2月試飛的F－16也采用了邊條機翼。

在發(fā)現(xiàn)邊條機翼優(yōu)越性的同時，人們也認識到了翼身融合的優(yōu)點。機翼和機身融合為一體，可大幅度地降低阻力，提高整機的升力，減輕結(jié)構(gòu)重量。飛機還可由此得到更大的機內(nèi)空間，使其載油量增加，從而具有更長的航時和航程。1989年7月首飛的美國B－2戰(zhàn)斗機一經(jīng)亮相便以其獨特的外形引起了世人的注意。它在海灣戰(zhàn)爭和科索沃戰(zhàn)爭中戰(zhàn)績不凡，備受軍界的青睞。

在機翼形狀的演變過程中，有的機翼類型被淘汰了，如變后掠機翼因結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量增大，20世紀90年代新研制的飛機幾乎都不采用這種機翼了；更多的機翼種類則互相融合、取長補短，變幻出不同的形式。100多年來，飛機翅膀的變化展現(xiàn)了人類無盡的創(chuàng)造力。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，不久的將來，一定還會出現(xiàn)許多現(xiàn)在還無法想像的新式飛機和新形機翼。