空气动力学魔法，机翼的故事

万磁王

作者：沃尔特•博伊恩（Walter J. Boyne）
翻译：李昭辉   
原文发表在1996年10月份出版的美国《空军》杂志（AIR FORCE Magazine）
来自空翼

　　译者注：本文原文发表在1996年10月份出版的美国《空军》杂志（AIR FORCE  Magazine）上，原作者是沃尔特•博伊恩（Walter J.  Boyne）。博伊恩之前担任过华盛顿特区美国国家航空航天博物馆的馆长，也是一位退役的空军上校和作家。他撰写过600多篇航空方面的文章和40本与航空有关的书籍。译文所配图片有改动。
　　“机翼的变化贯穿着飞行的历史。”

形形色色的机翼

万磁王

整体概述
　　长久以来，“翅膀”这一事物始终在紧紧地抓着人类的想象力。每一种人类文明中都有关于飞行的神话。尽管人类对飞行如此地迷恋，但直到19世纪，科学家们才开始使用精确的数学方法来计算能够飞上天的机器的“翅膀”的最佳尺寸和形状。1903年，奥维尔•莱特和威尔伯•莱特（译者注：即著名的“莱特兄弟”）在他们的“飞行者”（Flyer）号飞机上采用了当时最好的翼型，这迫使他们的竞争对手们开始尝试其他各种形状、风格和尺寸的机翼，以避免侵犯莱特兄弟的专利权。有些人转向了多翼机──三翼机、四翼机，甚至更多机翼的飞机；其他一些人则将机翼的形状更改成了后掠翼、串翼（andem  wing）、连接机翼（joined wing）和十字翼（cruciform wing）。

至少在古希腊人创造出伊卡洛斯的神话的时候，人类就已经开始梦想要获得一双翅膀了。这里展现的是18世纪一幅木刻上伊卡洛斯及其翅膀的形象

莱特兄弟的“飞行者1号”飞机，采用了当时最好的翼型

　　在这些机翼当中，绝大多数因为效率太低而难以起飞；有些机翼则能够产生刚好足够的升力，如果再配备有功率足够强大的发动机的话，那么是能够让飞机在空中蹒跚地飞行的。而且，当时几乎没有几种机翼能够兼顾稳定性和效率。
　　当时的某些机翼的设计理念是截然对立的──要么采用非常低的展弦比（即机翼翼展和平均几何弦长之比），要么采用非常高的展弦比；或者是要么采用一种纯粹的翼型，要么采用升力体结构──不过，在任何一个极端上有时总是会涌现出成功之作。
　　从20世纪20年代到40年代，航空工程方面的进步导致了更有力、更复杂的机翼的出现，而且在这些机翼上采用了现在为我们所熟悉的增升装置和现代化的空气动力学剖面。尽管如此，机翼在翼展、安装角和几何形状方面的改变仍在不断涌现。对某些人来说，其最终的目标是取消除机翼之外其他所有的翼面，或者是取消全部或部分的机翼。

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空气动力学戏法
　　自20世纪40年代后期以来，空气动力学方面的进展以越来越快的速度加速发展着，在结合了新的要求之后，现代工程学方法和材料打造出了全新的机翼结构。当时，精巧的增升装置被安装到了机翼的前缘和后缘上，以便在飞机着陆的过程中发挥作用，其中缝翼和襟翼可以像魔术师袖筒里的手帕那样折叠起来。
　　机翼上的一些“副产品”已经变得相当复杂了。道格拉斯公司的C-47“笨鸟”（Gooney  Bird）运输机那厚厚的机翼可以让飞行员永远穿行过寒冷、潮湿的云层，用气动除冰套除去凝结的冰块（译者注：除冰套安装于飞机机翼前缘，由多层橡胶组成，内部有可以充气膨胀的腔体，平时是薄薄的一层，紧贴在前缘表面，工作时充气膨胀，撑裂前缘表面的积冰）；而一些现代化的机翼──如法国宇航/阿莱尼亚（Aerospatiale/Alenia）公司研发的ATR-42型飞机的机翼──的效率是如此之高，以至于即使是生成了很小的一块冰也会发生致命的危险。

安装在机翼前缘的气动橡胶除冰套的工作原理示意图

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　　另一方面，随着机翼的复杂性越来越高，有时偶尔也会让人们回到早期发明家们提出的一些理念当中──这些理念在当时由于技术、机械甚至政治上的原因而没能实现。由此，塞缪尔•皮尔庞特•兰利（Samuel  Pierpont Langley）那原本不成功的串翼（tandem  wing）式设计在此期间受到了多年的重视，并且首先由法国人阿贝沙（Albessard）在其“Tri-avion”式战斗机和“阿森纳-达拉尼10”（Arsenal-Delanne  10）式战斗机上实现了，最近伯特•鲁坦（Burt  Rutan）又在其“先进技术战术运输机”（Advanced Technology Tactical  Transport，ATTT）上运用了这一翼型。

法国人阿贝沙研制的“Tri-avion”式串翼战斗机

“阿森纳-达拉尼10”式串翼战斗机

伯特•鲁坦设计的采用串翼构型的“先进技术战术运输机”

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　　通过这种类似的方式，最伟大的回归表现在了飞翼上。早在1901年，在莱特兄弟的滑翔机上飞翼这种翼型就表现得很好，而现在在美国密苏里州怀特曼空军基地的起飞线上又出现了最高级的飞翼──诺思罗普•格鲁曼公司的B-2隐身轰炸机。
　　莱特兄弟后来又在他们的飞机上加装了升降舵和方向舵，但仍采用了他们强力支持的双翼构型。采用这种组合的机翼是一款设计上的杰作，实现了翼展、弦长和翼间距的平衡，无数其他设计师开始竞相模仿；再加上他们对三轴控制需求的深刻理解，莱特兄弟为当时其他大多数航空发明家奠定了模式，可以说这些发明家当中几乎没有人不曾受到过“侵犯莱特兄弟的这一专利权”的困扰。
　　某些航空发明家，例如格伦•柯蒂斯（Glenn  H. Curtiss）也采用了类似的双翼平面布局，但他试图通过使用副翼的方式来避开莱特兄弟的专利。其他航空发明者们则依赖于他们的直觉、他们的审美意识，或者是他们对复杂的机械解决方案的痴迷──他们希望以一种不同于莱特兄弟的方法踏上飞行之路。
　　威尔伯•莱特于1908年在法国勒芒（Le  Mans）进行的成功展示打开了欧洲人想象力的闸门，并开创了一股创新设计的潮流。尽管这些创新设计中大部分都失败了，但其中许多设计方案都预示了未来的发展趋势。
　　洛克希德•马丁公司的F-117“夜鹰”隐身战斗机或老式的康维尔公司的F-102“三角剑”和F-106“三角标枪”截击机所采用的低展弦比机翼在早期的许多飞机身上都有过体现，这一切始于1911年弗里克-赖尼希（Flick-Reinig）研发的“流星”（Apteroid）飞机，这款双翼机的机翼沿着机身前后布置，而不是沿着机身垂线的方向上下布置，看上去就好像这架飞机是为了用铁路车厢运输而进行了包装一样。

1911年弗里克-赖尼希研发的“流星”（Apteroid）飞机模型。这款双翼机的机翼沿着机身前后布置，而不是沿着机身垂线的方向上下布置，看上去就好像这架飞机是为了用铁路车厢运输而进行了包装一样

康维尔公司的F-106“三角标枪”截击机

洛克希德公司的F-117“夜鹰”隐身战斗机

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　　紧随其后，许多低展弦比的飞机纷纷涌现，包括1912年由麦考密克•罗姆（McCormick Romme）推出的“伞式飞机”（umbrella  plane）。这款飞机是由当时年轻的钱斯•沃特（Chance  Vought）设计的，它有一个不存在任何弯度的圆形机翼，外观上就像是一套松散地拼接起来的遮阳篷。尽管如此，当为其装上了一台“土地神-罗纳”（Gnome-Rhône）公司的动力澎拜的功率为50马力的转缸式航空发动机时，这款绰号为“甜甜圈”（doughnut）的飞机不仅成功地飞了起来，而且在其所停放的伊利诺伊州西塞罗（Cicero）市那处机场的上空进行了可控的飞行。

1912年由麦考密克•罗姆推出的“伞式飞机”。译者注：原文记述似有误，查阅相关资料可知，这款飞机实际上是由商人哈罗德•麦考密克（Harold F.  McCormick）和约翰•洛克菲勒（John D. Rockefeller）资助的，发明者是威廉•罗姆（William S. Romme）

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飞行薄饼
　　在接下来的岁月里，人们又尝试了几十款小展弦比的机翼，因为他们相信小展弦比飞机的一大固有特点是高升力。在这些尝试性的机翼中，最成功的之一是由查尔斯•齐默尔曼（Charles  H.  Zimmerman）设计的。在其于1942年设计的沃特V-173“飞行薄饼”飞机中，齐默尔曼通过将来自非常庞大的螺旋桨的气流引导到整个机翼面上的方式而进一步强化了“小展弦比”的设计理念。

飞机设计师们有时会采用相同的方法来解决不同的问题。上图所示为一架沃特V-173“飞行薄饼”，该机采用小展弦比设计的目的是为了减少阻力，而洛克希德•马丁公司研制的F-117的机翼也采用了相似的小展弦比设计，目的却是为了降低雷达反射信号

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　　沃特V-173由邦尼•盖顿（Boone T. Guyton）、查尔斯•林德伯格（Charles A.  Lindbergh）和纳吉布•哈拉比（Najeeb E. Halaby）等人成功地驾驶着进行了试飞，并被发展成了外观俏皮的沃特XF5U-1飞机──这是一款采用圆形平面机翼的海军战斗机。XF5U-1太激进了，而且在喷气发动机面前显得太过时了，最终该机在首飞之前就被拆解了。（译者注：XF5U-1进行过地面滑行实验，且在滑行的过程中短暂地“跳”了起来，但并未进行过真正的飞行）

沃特XF5U-1飞机

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　　低展弦比的机翼最终在三角翼设计中有了突出的表现，这些设计源自亚历山大•李比希博士（Dr. Alexander M.  Lippisch）的天才。李比希博士设计的第一架三角翼飞机于1931年飞上了天空，接着李比希博士又提出了一系列的创新设计，其中最著名的是世界上第一架三角翼火箭动力战斗机──梅塞施密特Me  163“彗星”（Komet）截击机。第二次世界大战结束后，三角翼布局让许多飞机获得了优良的性能，包括造型美观的康维尔B-58“盗贼”（Hustler）轰炸机，这是世界上第一架超音速轰炸机。采用过三角翼布局的外国飞机制造商包括达索、阿芙罗、费尔雷、萨博、图波列夫设计局和米格设计局等。

梅塞施密特Me 163“彗星”截击机

康维尔B-58“盗贼”超音速轰炸机

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　　在展弦比设计思想的另一个极端，取得成功看上去要更加容易──高展弦比的机翼无疑是有效的，并在滑翔机上得到了广泛的运用。法国飞机制造商雷尔-杜布瓦（Hurel-Dubois）公司在20世纪40年代后期研发了拥有极高的展弦比、且采用支撑机翼（strut-braced-wing）的飞机，此举进一步推动了高展弦比的设计理念。后来这种设计理念沉寂了许多年，直到肖特兄弟（Short  Brothers）公司为美国空军研发出了诸如C-23“雪帕”（Sherpa）运输机等飞机后才再次焕发出了生机──但这也是其仅有的生机了。

肖特兄弟公司为美国空军研发的C-23“雪帕”运输机，从图中可以明显地看出其采用了支撑机翼设计