從雙翼到單翼飛機“翅膀”的演化史

依蔓 史慶起

?現(xiàn)代飛機多為單翼機，根據(jù)機翼的數(shù)量，飛機可以分為單翼機、雙翼機和多翼機（通常有3副及以上機翼的飛機統(tǒng)稱為多翼機）

現(xiàn)在，我們看到的飛機多為單翼機，即左右各有一個機翼。但是，世界上第一架飛機其實是雙翼機。飛機設計師是如何將機翼數(shù)量“化繁為簡”的呢？

18世紀后期到19世紀上半葉，英國空氣動力學家喬治·凱利，通過對鳥類飛行原理，以及鳥翼面積、鳥的體重與飛行速度的大量觀察研究，發(fā)現(xiàn)機翼產生的升力與飛行速度的平方及機翼的面積存在著成正比的關系，此外，升力系數(shù)還會隨機翼的迎角發(fā)生變化。

1903年12月17日，美國萊特兄弟借助喬治·凱利的理論和德國滑翔飛行家李林達爾的滑翔飛行數(shù)據(jù)，研制出了一架雙翼機。作為世界上第一架可操縱、帶動力、可載人、可持續(xù)穩(wěn)定飛行的飛機，這被認為是飛機誕生的標志。6年后的1909年，世界首架單翼機也試飛成功。

自飛機問世以來，飛機設計師不斷嘗試各種方法，以求提高飛機的升力。根據(jù)升力公式：

機翼升力=? ×空氣密度×速度的平方×機翼的面積×機翼升力系數(shù)

即機翼產生的升力與飛行速度的平方和機翼面積成正比。但起初，飛機發(fā)動機功率不足，飛行速度較慢且很難提升。于是，設計師設想通過增加機翼面積來獲得較大的升力。

要增加機翼面積，其中一個方法是增加機翼的展弦比。一般來說，展弦比越大，飛機機翼越細長，升力系數(shù)越大；反之，展弦比越小，飛機機翼越粗短，升力系數(shù)越小。這點在自然界也有體現(xiàn)——需要長距離或長時間飛行的鳥類，通常具有大展弦比的翅膀；需要良好機動性的鳥類，翅膀的展弦比則相對較小。

?現(xiàn)代民航客機與戰(zhàn)斗機的比較：民航客機（左圖）的機翼相對細長，能提供較大的升力；戰(zhàn)斗機的機翼相對粗短，能提供更好的機動性

不過，由于早期飛機的材料以木材為主，如果翼展過大，機翼容易折斷，設計師因此不得不考慮將機翼設計成雙層翼甚至多層翼的布局。

無論雙層翼還是多層翼布局，都是解決當時飛機速度不高、材料受限、自重較大的折中方案。特別是多翼機，其機翼結構相當復雜，這大大增加了飛行阻力，使得同樣動力條件下，飛機飛行速度的提升難度更大。如此的先天不足，也決定了多翼機曇花一現(xiàn)的歷史命運。

雖然第一次世界大戰(zhàn)期間（1914年7月28日—1918年11月11日）單翼戰(zhàn)斗機就已經出現(xiàn)，但由于結構、材料和工藝等方面的限制，當時人們普遍認為單翼機結構單薄，安全性和穩(wěn)定性不如雙翼機。

?早期飛機由于材料技術的限制，有很多支架等設計，主要目的是增加機身與機翼的結構強度

?早期的雙翼機在進行試飛。雙翼機飛得慢，容易獲得升力，不需要太長的跑道即可起飛，目前在飛行表演等場景中仍有應用

然而伴隨著航空科技的快速發(fā)展，20世紀20年代后半期到30年代，世界航空工業(yè)迎來了承前啟后的發(fā)展“黃金期”——發(fā)動機技術改良，大大提升了飛機的發(fā)動機功率，進而提高了飛行速度，為單翼機靠速度提升升力創(chuàng)造了前提條件；各種金屬材料，以及相應的加工工藝不斷改進，使單翼機一改以往的“單薄”形象，結構強度邁上新高度；科學家在空氣動力學領域也不斷取得新的研究成果，迎來了流線型外形的新時代。就這樣，外形“干凈簡單”的單層翼飛機，憑借重量輕、阻力小、氣動性更好的優(yōu)勢最終取代了雙翼機，成為今天飛機的主要形式。

飛機作為一項改變世界的發(fā)明，身上的每個部件都不簡單，單在飛機“翅膀”數(shù)量這一方面，就蘊含這么多科學道理。對于飛機的“翅膀”，你還知道哪些知識？

機翼的展弦比為翼展與機翼平均幾何弦長的比值，也可以用翼展的平方與機翼面積的比值來表示。

翼展指固定翼飛機左右翼尖之間的距離，弦長指翼弦的長度，翼弦即翼型（也叫翼剖面）前緣點與后緣點之間的連線。由于大多數(shù)飛機機翼不同位置的翼弦不一樣長，例如翼根弦長與翼尖弦長，因此一般常用的弦長參數(shù)為平均幾何弦長，即取翼根弦長與翼尖弦長的平均值。

（責任編輯 / 張麗靜? 美術編輯 / 周游）