人類為自己打造的翅膀，有多少奧秘

高新宇　于舟

雄鷹展翅，伴著凜冽的山風，一次次抒發(fā)對白云的向往;麻雀抖羽，把低矮的屋檐營造成溫馨的天堂，翅膀讓雄鷹和麻雀脫離了地球引力。鷹翔雀飛，雖未在空中留下痕跡，卻讓人們產(chǎn)生了對翅膀的向往。

飛機的機翼就是人類為自己打造的一雙翅膀。依靠這雙翅膀，人類實現(xiàn)了飛行夢想。

機翼是飛機上最重要的空氣動力部件，是飛機升力的主要來源，它不僅把飛機托舉到白云之上，其構(gòu)型與材質(zhì)也在很大程度上決定著飛機的各項性能。自從1903年萊特兄弟在基蒂霍克寒冷的海風里，駕駛著飛行者1號實現(xiàn)了艱難一躍，此后100多年間，飛機的機翼從材料選用到布局形式，都發(fā)生了翻天覆地的變化。

木頭

最早的飛機是木頭飛機，當然機翼也是木質(zhì)機翼。飛機誕生初期，飛行速度低、載重小，機翼承受的載荷不高，采用木質(zhì)材料完全能滿足使用要求。因此，在20世紀20年代之前，木質(zhì)結(jié)構(gòu)一直是飛機機翼的主流。

這一時期的機翼蒙皮常采用涂過清漆的亞麻布，翼肋等骨架結(jié)構(gòu)常用云杉木制作。早期飛機大多采用雙機翼。由于飛機動力不夠強勁、飛行速度慢，為了獲得更大的升力，只能采用增加機翼面積的方式，從而產(chǎn)生了雙機翼飛機甚至三機翼飛機。萊特兄弟的飛行者1號，就是一架典型的雙翼飛機。

一戰(zhàn)期間最負盛名的王牌飛行員里希特霍芬，曾創(chuàng)下?lián)袈?0架敵機的驚人紀錄。他駕駛的紅色的?？薉r-I三翼機也成為那個時代的傳奇。

杜拉鋁

隨著科技進步，飛機性能不斷提高，飛行速度越來越快，載重也越來越大，木質(zhì)材料強度不高、易燃易腐的先天不足就顯現(xiàn)了出來。誰能取而代之？杜拉鋁應運而生。于是，木質(zhì)機翼退出了歷史舞臺，金屬機翼取而代之，航空史開始進入金屬飛機時代。機翼結(jié)構(gòu)材料先后有鋁合金、結(jié)構(gòu)鋼、鈦合金等，而蒙皮則由亞麻布換成了鋁。

由于發(fā)動機性能不斷提高，飛機飛行速度直線提升，雙機翼、三機翼及其繁復的支柱、張線，成為阻礙飛機提速的障礙。于是，人們摒棄了雙機翼和三機翼，專注研發(fā)單機翼。從20世紀30年代起，雙翼機逐漸被單翼機取代。

再后來，隨著飛機速度的不斷提高，特別是超聲速飛行的實現(xiàn)，機翼形狀必須發(fā)生適應性演變。相較于早期的平直翼機翼，出現(xiàn)了后掠機翼、三角機翼、梯形機翼、變后掠機翼、前掠機翼等。機翼的功能也得到了極大豐富，戰(zhàn)斗機或轟炸機在機翼下布置多種外掛，如副油箱、導彈、炸彈、任務吊艙，機翼內(nèi)部空間常用來儲存燃油、收藏起落架。特別是民航客機，為了保證旅客安全，全部將燃油儲存在機翼內(nèi)，這也催生出了機翼整體結(jié)構(gòu)油箱。

復合材料

到了20世紀70年代，復合材料開始在飛機上得到運用，并由次承力構(gòu)件向主承力構(gòu)件過渡，先出現(xiàn)了復合材料與金屬的混合機翼，后發(fā)展為全復合材料機翼。進入21世紀，航空史正式步入復合材料時代。

復合材料是指由兩種或多種不同性能、不同形態(tài)的組分材料，通過一定的工藝過程組合而成的一類材料，生活中常見的鋼筋混凝土、三合板、石棉水泥板都是復合材料。飛機機翼常采用的碳纖維復合材料，就是通過將碳纖維與樹脂在一定溫度下固化成形的一種材料。在新一代民用飛機中，空客A380、A350和波音787的機翼均大量運用復合材料。與金屬材料相比，復合材料擁有更高的強度和剛度，并且可設(shè)計性更強，這樣制造出來的機翼重量更輕，氣動外形更佳，飛行阻力更小。

可以預期，隨著高效氣動技術(shù)、主動結(jié)構(gòu)技術(shù)、先進制造技術(shù)等的進步，特別是納米材料、智能材料、多功能復合材料等新材料的快速發(fā)展，未來飛機的機翼，無論是構(gòu)型還是材質(zhì)，都將發(fā)生讓人耳目一新的變化，可能會出現(xiàn)自主可變機翼、柔性折疊機翼、智能感知機翼，還有像鳥兒那樣可扇動的撲翼。

飛機能夠飛翔，就是因為有機翼嗎

這個問題的答案，可不是因為飛機有機翼這么簡單。這背后是空氣動力學原理。

兩類航空器

航空器按飛行原理分類，可以分為輕于空氣的航空器和重于空氣的航空器兩大類。輕于空氣的航空器，其飛行原理是空氣靜力學原理，比如熱氣球、飛艇，靠空氣的浮力升空;而重于空氣的航空器主要遵循空氣動力學原理或反作用力原理，以飛機為代表的固定翼航空器，主要靠機翼的升力支持它在空中飛行。

兩個基本定理

機翼上產(chǎn)生的升力是飛機與空氣相對運動的結(jié)果，它基于空氣動力學兩個最基本的定理：伯努利定理和流體連續(xù)性原理。理解了這兩個原理，飛機怎么飛起來的就好理解了。

1.伯努利定理。瑞士科學家伯努利通過研究理想流體運動中速度、壓力、密度等參數(shù)間的關(guān)系，找到了它們變化的規(guī)律，即伯努利方程。簡單來說，就是流體的流速與其壓強成反比，空氣流動得越快，空氣的壓力就越小。

做一個簡單的小試驗，能幫你更直觀地理解伯努利原理。剪兩條等長等寬的紙條，將它們懸空垂直并排擺放，并從上方向紙條間吹氣。我們可以發(fā)現(xiàn)，紙條不僅沒被吹開，反而吸在了一起。這就是伯努利原理的具體體現(xiàn)。因為兩紙條間的空氣流動，壓力變小，而兩紙條外側(cè)的空氣沒有流動，壓力相對增大，紙條便被空氣往里壓緊了。

2.流體連續(xù)性定理。可以簡單表述為：根據(jù)質(zhì)量守恒定理，當一定質(zhì)量的氣體流經(jīng)截面變化的管道時，在同一時段內(nèi)，流過任何截面的氣體質(zhì)量都是相等的。當空氣流速較低時，空氣密度變化很小，或者說空氣是不可壓縮的。這時，你可以想象，氣流穩(wěn)定地流過直徑變化的管子時，每秒流入多少空氣，也流出等量的空氣，所以管徑粗處的氣流速度較小，而管徑細處較大。

機翼的奧秘

近距離觀察機翼構(gòu)造，不難發(fā)現(xiàn)，飛機機翼上下兩側(cè)的形狀是不一樣的，上面的要凸一些，下面的則要平一些，這正是飛機升力產(chǎn)生的奧秘所在。

飛機滑跑和飛行時，機翼與空氣做相對運動，可以認為空氣沿機翼流動。氣流流過翼剖面時，可以想象翼剖面放在一個空氣構(gòu)成的大流管中。

空氣流經(jīng)翼剖面時，相同時間內(nèi)，翼剖面上側(cè)的空氣比下側(cè)的空氣流過了更多的路程，也就是說，上側(cè)空氣流速快、壓強小，下側(cè)空氣流速慢、壓強大，這就使飛機產(chǎn)生了一個向上的升力。機翼上眾多翼剖面的升力之和構(gòu)成了機翼的總升力。而當飛機滑跑到一定速度，升力超過飛機重力的時候，飛機就飛起來了。

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