寻找最完美的机翼

万磁王

作者：Peter Garrison
翻译：数据删除
原载：《Air & Space Magazine》2019年2月
来自空军之翼
内容与配图有改动和增补

　　一对完美的机翼应该是厚的还是薄的？椭圆形还是方形的？笔直的还是打弯的？这些其实都无关紧要。

两款在二战中都表现上佳的战斗机，超马林喷火（左）与北美P-51“野马”（右）却具有轮廓大相径庭的主翼和水平尾翼

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　　第二次世界大战爆发之前的英国和德国航空工程师之间其实还保持了不错的友好关系，“喷火”的主设计师雷金纳德•米切尔就曾向德国的恩斯特•亨克尔发去贺信，祝贺他的He  70“闪电”试飞成功。设计于1932年的“闪电”是一架五座的高速邮政机，有着两个值得注意的特点：一对呈椭圆形的主翼，以及它由沉头铆钉铺装成的、光滑的机身表面。“即使是我们投入施耐德杯比赛中的飞机都未曾有过如此光滑的线条。”米切尔在给亨克尔的信中这样写道，同时他还提及，一架罗尔斯罗伊斯获得的“闪电”换装了他们810马力的“红隼”发动机后“明显地比我们的战斗机还要快。”

亨克尔He 70，光洁的机身在阳光照耀下的反光和圆润的机翼轮廓清晰可见

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　　考虑到当时英国装备的战斗机都是已经落伍的双翼飞机，恐怕亨克尔对这一对比结果并不会感到多么满足。但米切尔对流线型的He  70大方的称赞却在后世被人添油加醋，变成了“喷火”战斗机抄袭或被He 70设计所影响的“证据”。
　　不过多年之后，主要负责过“喷火”主翼设计的加拿大裔空气动力学家比佛利•申思顿站出来坚决地否定了这一指控，指出椭圆形机翼在当时就已经被应用于其他多种飞机上，而且这一设计的优势在当时就已经广为人知。
　　的确，早在1907年流体力学先驱兰彻斯特就已经成功发现并论述了椭圆形机翼的优势和原理。申思顿同时还表示，由于“喷火”之前稍早的前身设计性能毫无亮点，米切尔在“喷火”本身设计伊始就已经决定改用相对厚度较薄的翼型截面。但如此一来传统的笔直渐缩的机翼中段就会变得很薄，无法放置皇家空军已经预先要求的每侧4门.303口径机枪。而椭圆形机翼直到靠外侧时才开始明显渐缩，这样刚好让机枪可以被合适地安装在机翼内部。按他所言，“只要能把机枪塞进去，我才不在乎机翼是椭圆形的还是什么东西！”这就是米切尔当时的原话。

1934年时超马林内部的设计方案之一（No.30000 sheet  11），可以看到此时的设计图已经基本符合后来“喷火”的总体布局，但依然使用较厚的梯形圆翼尖机翼，同时也可以注意到武器安装的位置

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　　尽管如此，这样一个特色显而易见的成功个案依然很快就会开始影响其他人。至少从理论上说，椭圆形机翼设计所谓的优势就是能够产生最小的诱导阻力，也就是机翼诱导空气产生升力时所造成的阻力。诱导阻力是除了蒙皮与空气摩擦产生的寄生阻力和飞机飞过时在机身后产生的湍流涡造成的后体阻力外的另一种阻力，它会在飞机减速、机翼攻角增大时变大，所以诱导阻力的大小主要影响爬升率和高过载机动时的性能；另一方面，寄生阻力则主要影响飞机的最高速度。而兰彻斯特发现的法则就是当机翼沿翼展方向的升力分布呈椭圆形时就可以得到最小的诱导阻力，并用一套方程完成了对这一发现的证明。（译注：文中提到的这一法则实际上就是一个由普朗特-兰彻斯特升力线理论继续推导而产生的结果，这一理论首次提出了运算一个翼展有限的真实的机翼的升力分布和大小的方法；比兰彻斯特的发现稍晚些时候，普朗特也在德国方面发表了类似的理论和发现，本理论最终因此得名。）

1918年普朗特发表的《机翼理论》一文中就已经对一个实际的翼型求解出了使升力分布最优化的机翼形状轮廓，和后来各型飞机采用过的椭圆形机翼已经基本完全相同

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　　但这些都只是美好的理想，而现实总是残酷的。现实中的飞机还会有机身、发动机舱、控制面的缝隙、机翼下的散热器、进气口和武器配置等等装置，所有这些都会让实际的升力分布离一个理想的椭圆形渐行渐远，对完美设计的追逐不可避免地已经输在了起跑线上。
　　无论如何，椭圆形的玄学依然在流传。霍克“海怒”用上了椭圆形的机翼，但是似乎没有得到如同“喷火”那样精致的设计；共和飞机公司的创始人亚历山大•赛维尔斯基和他的主设计师亚历山大•卡特维利则为共和战前的P-35和之后的P-47战斗机选定了一种前缘平直、翼梢圆滑、后缘则呈半椭圆形的机翼设计，这样就在保持椭圆形的面积分布的同时，回避了复杂的机翼前缘曲面带来的生产难度。

霍克“海怒”战斗机。可以注意到不再严格沿椭圆形轨迹的翼尖形状，以及突出机翼前缘的散热器进气口

P-47的前缘平直而后缘圆滑的机翼设计，实际上不仅是共和，P-35的原始设计还影响到了远在意大利的雷贾尼，Re  2000系列战斗机也一直沿用了这种机翼形状

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　　另一些制造商使用了梯形机翼或拼接几块梯形来近似一个椭圆，然后就发现他们相比真正的椭圆形并没有什么明显劣势。直机翼配上圆翼尖成为了椭圆形机翼设计思想的最后残留，而到了北美的P-51“野马”和格鲁曼的F6F“地狱猫”，连圆翼尖干脆也被抛弃了。“地狱猫”至少还保留了圆形的尾翼翼梢，而P-51连垂尾和平尾也都变成了“简单粗暴”的梯形。
　　看来到最后，“理想的”升力分布和圆润的翼尖也没有真正产生多大区别。

格鲁曼F4F“野猫”的平直主翼经常被戏称为“好时巧克力棒”，这种主翼设计提供了宽容的失速特性，而这对于经常需要进行航母起降的年轻海军飞行员们而言至关重要

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　　但正是像这样令人费解的因果关系让飞机设计的过程困难而又迷人。有时一架飞机会有一个惹人注意的特点，但它也许同样惹人注意的性能优势却未必来自于那个特点，而可能完全来自于一些别的地方。同时在设计师做出设计决定的时候，设计师的直觉或者个人口味、严谨或是神棍的理论也依然占领了不少的部分。
　　在一双敏锐的眼中，“喷火”和He 70的主翼设计之间的不同之处其实和它们间的相似之处一样明显。从机头正面看去，He  70的主翼呈明显的倒鸥翼形状；而从顶视图看，He  70的主翼在靠近机身的部分还逐渐变窄。这两项设计都是为了减少机身和主翼之间的气动干扰，而“喷火”则完全无视了这些优化方法，只采用了略显肥大的翼身整流罩，这种设计简化了机翼的制造，但可能要牺牲一些速度和爬升能力。

He 70的倒鸥翼在正面视角非常明显，它的机翼设计也被亨克尔后来的大部分单活塞引擎飞机继承

图中银色部分即为“喷火”的翼身整流罩，这其实也是一种非常常见并且沿用至今的设计方法，正确设计的翼身整流罩可以有效的防止翼根处发生气流分离并降低压差阻力

沃特F4U“海盗”的倒海鸥翼让它可以用一副短而坚固的主起落架，却会让飞机在失速过程中发生难以预测的滚转

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　　倒鸥翼布局无疑是德国飞机制造商布洛姆•福斯极富创意的设计师理查德•沃格特的最爱，他先设计了一架看起来就像小号“斯图卡”的俯冲轰炸机（Ha  137），又给他的四引擎水上客机Ha  139也配上了倒鸥翼，这一机型在二战爆发前一直在北大西洋的航线上运送旅客和邮件。而接下来，他开始在一架三引擎飞船上尝试上下相反的鸥翼设计。

Ha 137俯冲轰炸机，对于使用固定起落架的飞机，倒鸥翼还起到了减小起落架迎风面积的作用，和该机布局相近的Ju  87“斯图卡”就是一个明显的例子

倒鸥翼在著名的F4U使用之前就已经出现在了布洛姆•福斯的Ha  139上。在30年代后期，这型飞船就利用弹射器起飞，在西非和巴西之间的航线上运送邮件

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　　各型中型飞船的设计师们往往会采用鸥翼设计来让翼上安装的发动机可以更加远离水面，但是沃格特在这个思路上有点走太远了。三引擎的Ha  138原型机内翼段上反，组成一个V形，而在中间还夹了一个发动机短舱，安装第三台发动机。而之后的试飞却证明这一设计的空气动力学性能实属尴尬，他不得不马上将鸥翼设计改为一对普通的平直机翼，不过在此之前已有好事者拍到了原型机的奇怪造型，配着以下的描述文字交给了一家英国航空杂志：
　　理查德•沃格特，辣个能把飞机造的比谁都丑的男人。波罗的海上的这架飞机一眼便知是沃格特的怪兽，布洛姆•福斯出品的“138”。（量产时该机名称被定为Bv138）

Ha 138的原型机，上文的原始图注描写的正是这架飞机，图中的鸥翼布局与中央的发动机短舱清晰可见

量产型的Bv 138不再具有鸥翼设计，三台发动机因此也呈明显的高低错落排布

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　　带有折角的机翼设计（如果只是很常见的平直内翼端接上上翘的外翼段也算的话，大部分飞机都有）本身隐含着一种机翼的固有属性，也就是机翼的上反/下反。机翼上反指的就是机翼沿翼展方向的略微向上翘起——有时候只是外翼端翘起。这种设计的目的是让飞机能够在受到（滚转方向的）扰动后能够自己恢复到平飞状态。上反角这个用词本身一般只是用在描述机翼上，但是“上反角效应”实际上是飞机整机的一种性能特性，机身、尾翼在这个效应中也起到重要的作用，而机翼的后掠也会产生和机翼上反类似的“上反角效应”。太多的“上反角效应”是不合理的设计，所以后掠翼飞机往往比起平直翼飞机会有更小的机翼上反角——甚至根本无上反（甚至下反）。

F-4“鬼怪”战斗机同时具有上反的外翼段，几乎水平的内翼段，以及下反的水平尾翼。机翼的反角在飞机的各轴稳定性设计中会起到至关重要的作用，对飞机的性能特性有着很大影响