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(chǎn)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(guān)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(chǎn)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(jié)構(gòu)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(jīng)出現(xiàn)，但由于結(jié)構(gòu)、材料和工藝等方面的限制，當時人們普遍認為單翼機結(jié)構(gòu)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(shù)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(jié)構(gòu)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(shù)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(jié)構(gòu)強度邁上新高度；科學家在空氣動力學領(lǐng)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(shù)編輯 / 周游）