關于機翼形狀的發展歷程及對飛機升力影響的探究分析

符騰川

【摘要】 本文總結了飛機機翼形狀的發展過程，先后出現了平直翼、后掠翼和前掠翼。并從理論上簡要分析了三種典型形狀的機翼對飛機升力的影響。得到了三種機翼發展先后順序的原因。

【關鍵詞】 承載 面積 升力 載荷

【中圖分類號】 G632.4 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 1992-7711（2017）02-178-02

飛機是現今一種重要的交通工具，它的發展史也不過100多年。但是飛機在發展的路程上，出現了許多種奇形怪狀的機翼。各種形狀的機翼對飛機的飛行速度、加速度等各種性能都會產生巨大的影響。因此本文主要研究飛機發展過程中各種形狀機翼產生的原因。

飛機在飛行過程中受到四種作用力： 1，升力——由機翼產生的向上作用力2，重力——與升力相反的向下作用力，由飛機及其運載的人員、貨物、設備的重量產生3，推力——由發動機產生的向前作用力4，阻力——由空氣阻力產生的向后作用力，能使飛機減速。

機翼的主要功用是產生升力，以支持飛機在空中飛行；同時也起一定的穩定和操縱作用。是飛機必不可少的部件，在機翼上一般安裝有飛機的主操作舵面：副翼，還有輔助操縱機構襟翼、縫翼等。另外，機翼上還可安裝發動機、起落架等飛機設備，機翼的主要內部空間經密封后，作為存儲燃油的油箱之用。

因為飛機的機翼先后出現了平直翼、后掠翼和前掠翼。本文將介紹這幾種典型的機翼，根據物理原理分析比較幾種機翼的特點，從而得到這幾種機翼出現順序的原因。

一、三種機翼的發展過程

1.平直翼

平直翼是指飛機機翼面積大而長，機翼迎風面十分平直，圖2為平直機翼模型。平直翼是最早出現的，萊特兄弟所測試的“飛行者1號”和“飛行者2號”都是標準的平直翼。其后一直到二戰，平直翼一直在沿用。早期飛機發動機功率低、重量大，建造機體的材料大多是木材和蒙布。

2.后掠翼

后掠翼是由德國空氣動力學家在20世紀30年代提出的，為其當時先進的噴氣機專門設計的一種機翼。直到1950至1960年間，噴氣機的廣泛應用，后掠翼就開始普遍應用。可以說，后掠翼是專門為超音速飛機而設計的

3.前掠翼

圖4為蘇聯的蘇37金雕戰斗機，這是標準的前掠翼飛機：機翼前緣和后緣的傾角均向前，機翼面積與后掠翼相比小很多。

二、理論分析

簡單來說，飛機的機翼是給飛機提供升力的重要部件。由表面的蒙皮和內骨架組成，其產生的升力與機翼面積成正比。與空氣作用，從而能夠克服重力在空氣中漂浮。再加上飛機自身的動力裝置，飛機便可飛行了。

首先，我們來了解一下什么是升力。升力來源于機翼上下表面氣流的速度差導致的氣壓差。在真實且可產生升力的機翼中，氣流總是在后緣處交匯，否則在機翼后緣將會產生一個氣流速度為無窮大的點。這一條件被稱為庫塔條件，只有滿足該條件，機翼才可能產生升力。這一條件被稱為庫塔條件，只有滿足該條件，機翼才可能產生升力。

根據這一條件，便得出公式：Y=1/2ρCSv2

Ρ：空氣密度

C：升力系數

Y：升力（升力垂直于氣流速度方向，向上為正）

v： 氣流相對于物體的流速

S ：參考面積（飛機一般選取機翼面積為參考面積）

1.平直翼

由升力系數Cl = L/（qS）公式可知：在低速度條件下需要產生足夠的升力，需要較大面積的機翼。所以一戰就出現了三翼機和雙翼機。直到二戰，飛機的動力提升。雙翼機和三翼機機翼產生了空氣阻力不方便快速飛行，故將機翼數量降低到單翼。

2.后掠翼

后掠翼形特點是，其前緣和后緣均向后掠。機翼后掠的程度用后掠角的大小來表示，掠角為銳角。根據受力分析，后掠翼所受的空氣阻力會沿著機翼的邊緣“流出去”，從而減小了阻力，增加了飛行速度。

后掠翼也同時存在著缺點：亞聲速時升力效率較低，翼尖容易先失速。因為將速度也進行拆解，當自由流吹過后掠翼時由于展向分速，總速度被分解掉了一部分，實際有效的法向分速就降低了，升力也降低了。因此，后掠翼飛機的雖然在飛行速度上有很大的優勢，但在升力方面有很大的劣勢。工程師為了應對這問題，便創造出了可變后掠翼。在飛機起飛或低速飛行時，飛機機翼展開，變成平直翼；在高速巡航時，便收起機翼，變成后掠翼。工程師的一個巧妙的設計，結合了兩者的優點。

后掠翼除去升力小的缺點外，還有一個致命的缺陷，叫做“翼尖發散”或“翼尖失速”，就是說飛機機翼的表面受空氣粘性影響形成的一薄層氣流（術語稱：附面層）會從翼根向翼尖流動，在大迎角機動時，翼尖的附面層會因流動過于激烈而與機翼分離，使得飛機失去大部分升力。

3.前掠翼

它的原理很簡單，將其機翼所受到的速度進行分解，速度會沿著機翼邊緣“流”向機身，因此不容易失速。但將其機翼所受的阻力進行分析，阻力與速度同樣“流”向機翼與機身的連接處，所以飛機機身與機翼之間將會承受很大的壓力。但這不影響，因為前掠翼結構可以保障機翼與機身之間更好地連接，并且合理地分配機翼和前起落翼所承受的壓力。

其優點很多

（1）結構優勢：如同上面所說，前掠翼結構可以保障機翼與機身更好的鏈接：大大提高了飛機在機動時、尤其是在低速機動時的氣動性能。

（2）機動優勢：前掠翼技術可使飛機在亞音速飛行時具有非常好的氣動性能，從而大大提高其在仰角狀態下的機動性。若前掠翼布局與推力矢量控制系統綜合使用，還可使其在空戰中更具優勢，其近距空戰機動能力將成倍地提高。

（3）起降優勢：與相同翼面積的后掠翼飛機相比，前掠翼飛機的升力更大，載重量增加30%，因而可縮小飛機機翼，降低飛機的迎面阻力和飛機結構重量；減少飛機配平阻力，加大飛機的亞音速航程；改善飛機低速操縱性能，縮短起飛著陸滑跑距離。據美國專家計算，F-16戰斗機若使用前掠翼結構，可提高轉變角速度 14%，提高作戰半徑34%，并將起飛著陸距離縮短35%。

可控優勢：使用前掠翼結構可以提高飛機低速度飛行時的可控性，并能在所有飛行狀態下提高空氣動力效能，降低失速速度，保證飛機不易進入螺旋，從而使飛機的安全可靠性大大提高。

它自身也存在著缺點，以至于現在前掠翼不能大范圍使用。

結構問題：前掠翼的嚴重問題是在結構方面，沿結構曲線方向的彎曲變形會使外翼沿氣流方向增大迎角，增加外翼部分升力，進一步增加機翼的彎曲變形。在足夠大的速度下，這種現象會形成惡性循環，直到使機翼彎曲折斷。現在還沒有材料可以讓前掠翼飛機在不增加飛機重量而使飛機機翼的硬度變大。

技術問題：前掠翼飛機技術復雜，并且是新型機型，與之配套的相關技術要求比較高，所以目前前掠翼飛機發展緩慢。

當然，飛機機翼產生升力的原因不僅僅與記憶的面積有關，還和粘性邊界、渦流等有關。

三 結論

1.飛機的速度加快，為了保證飛機擁有足夠的升力，因此飛機的機翼面積逐漸減小。

2.飛機三種基本機翼，是隨著飛機發動機的不斷改進，相應設計得到，機翼面積逐漸減小。