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出品：科普中國

作者：王豐逸（中國科學(xué)院力學(xué)研究所）

監(jiān)制：中國科普博覽

編者按：為揭開科技工作的神秘面紗，科普中國前沿科技項(xiàng)目推出“我和我的研究”系列文章，邀請科學(xué)家親自執(zhí)筆，分享科研歷程，打造科學(xué)世界。讓我們跟隨站在科技最前沿的探索者們，開啟一段段充滿熱情、挑戰(zhàn)與驚喜的旅程。

在人類探索天空的征途中，機(jī)翼作為飛機(jī)的重要組成部分，扮演著舉足輕重的角色。它不僅是飛機(jī)產(chǎn)生升力的核心部件，更是影響飛機(jī)外形的最直接因素。今天，讓我們一起走進(jìn)機(jī)翼的世界，探尋其背后的科學(xué)原理與奇妙設(shè)計(jì)。

機(jī)翼的奧秘：升力與阻力的平衡

機(jī)翼的奧秘，首先體現(xiàn)在它如何幫助飛機(jī)克服重力，翱翔于藍(lán)天之上。在飛行力學(xué)中，機(jī)翼通過產(chǎn)生升力來支持飛機(jī)的重量。這一升力的產(chǎn)生，源于機(jī)翼上下表面空氣流速的差異。當(dāng)飛機(jī)前進(jìn)時(shí)，機(jī)翼上方的空氣流速較快，形成低壓區(qū)；而機(jī)翼下方的空氣流速較慢，形成高壓區(qū)。這種壓力差，便是機(jī)翼產(chǎn)生升力的關(guān)鍵所在。

機(jī)翼

（圖片來源：veer圖庫）

然而，升力并非機(jī)翼的唯一功能。在追求升力的同時(shí)，機(jī)翼還必須面對阻力的挑戰(zhàn)。阻力是飛機(jī)飛行時(shí)遇到的阻礙力，它會消耗飛機(jī)的動力，降低飛行效率。因此，在機(jī)翼的設(shè)計(jì)中，如何在升力與阻力之間找到平衡點(diǎn)，成為科研人員關(guān)注的焦點(diǎn)。

機(jī)翼形狀對飛行性能有哪些影響？

機(jī)翼的形狀對飛機(jī)的飛行性能有著至關(guān)重要的影響。

從紙飛機(jī)的例子中，我們可以窺見一二。小時(shí)候，我們或許都曾折過不同形狀的紙飛機(jī)，有的機(jī)翼寬大，有的機(jī)翼細(xì)長。這些不同的形狀，直接決定了紙飛機(jī)的飛行特點(diǎn)。

飛機(jī)設(shè)計(jì)中，決定機(jī)翼外形的最重要參數(shù)稱為展弦比，即機(jī)翼垂直于飛行方向的展長和沿飛行方向弦長的比值。就是下圖中a和b的比值。

原圖為殲-35A戰(zhàn)機(jī)在2024年珠海航展上進(jìn)行飛行表演

（圖片來源：北京日報(bào)）

展弦比較大的機(jī)翼表現(xiàn)為垂直于飛行方向特別長，讓飛機(jī)看起來整體更加寬大；展弦比值較小的機(jī)翼則垂直于飛行方向的長度較小，而沿飛行方向長度稍大，和機(jī)身配合起來就會使飛機(jī)整體外形更加細(xì)長。

航空飛機(jī)的展弦比就比較大

（圖片來源：veer圖庫）

大展弦比的機(jī)翼，典型的例子就是運(yùn)20運(yùn)輸機(jī)。它所采用的設(shè)計(jì)，能夠提供強(qiáng)大的升力，使飛機(jī)能夠載重更大、飛得更遠(yuǎn)。這種設(shè)計(jì)特別適用于需要長航時(shí)、長航程、大載重的飛機(jī)，因?yàn)樗鼈儾⒉贿^于追求飛行速度，運(yùn)載能力是首要考慮的因素。

2023年11月23日，執(zhí)行接迎第十批在韓中國人民志愿軍烈士遺骸回國任務(wù)的運(yùn)-20飛機(jī)降落沈陽桃仙國際機(jī)場，機(jī)場以“過水門”航空最高禮儀迎接志愿軍烈士回家。余紅春 攝

（圖片來源：中國軍網(wǎng)）

2023年12月19日，西部戰(zhàn)區(qū)應(yīng)急指揮組搭乘運(yùn)-20趕赴甘肅抗震救災(zāi)一線。劉芳 攝

（圖片來源：中國軍網(wǎng)）

而小展弦比機(jī)翼，則如殲-20、殲-35這類戰(zhàn)斗機(jī)所展示的那樣，能夠減小阻力，提高飛行速度。這種設(shè)計(jì)對于追求高速飛行的戰(zhàn)斗機(jī)來說，無疑是最優(yōu)選擇。

2018年11月11日，殲－20戰(zhàn)機(jī)在第十二屆中國航展亮相

（圖片來源：新華網(wǎng)）

除了展弦比外，機(jī)翼的其他設(shè)計(jì)參數(shù)，如扭轉(zhuǎn)角、上下反角和后掠角等，也會對飛行性能產(chǎn)生重要影響。例如，施加合適的扭轉(zhuǎn)角能減小飛行時(shí)產(chǎn)生的誘導(dǎo)阻力；而增加上反角可以增加飛機(jī)飛行時(shí)的橫向穩(wěn)定性，讓飛機(jī)飛行更加安全。

機(jī)翼材料千變?nèi)f化，高壓捕獲翼成新亮點(diǎn)

隨著科技的不斷進(jìn)步，機(jī)翼的材料與技術(shù)也在不斷更新?lián)Q代。早期的飛機(jī)機(jī)翼主要由木材、金屬等材料制成，這些材料雖然堅(jiān)固耐用，但重量較大，限制了飛機(jī)的飛行性能。如今，隨著復(fù)合材料技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)翼開始大量采用碳纖維、玻璃纖維等輕質(zhì)高強(qiáng)度材料，這些材料不僅減輕了機(jī)翼的重量，還提高了其抗疲勞性和耐腐蝕性。

此外，隨著計(jì)算流體力學(xué)、優(yōu)化設(shè)計(jì)等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，機(jī)翼的設(shè)計(jì)也變得更加精確和高效。科研人員可以利用這些技術(shù)，對機(jī)翼的形狀、結(jié)構(gòu)等進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到最佳的飛行性能。

盡管機(jī)翼的設(shè)計(jì)已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)步，但科研人員對于機(jī)翼的探索與創(chuàng)新從未停止。他們正致力于開發(fā)更加高效、環(huán)保的機(jī)翼設(shè)計(jì)，以應(yīng)對日益嚴(yán)峻的環(huán)境問題和能源挑戰(zhàn)。

其中，高壓捕獲翼作為一種全新的高超聲速飛行器布局形式，正在引起廣泛關(guān)注。在傳統(tǒng)高超聲速飛行器氣動外形布局形式中，升阻比和容積率存在強(qiáng)烈的矛盾關(guān)系，也就是說高超聲速飛行器飛得遠(yuǎn)、飛得快的代價(jià)是裝載能力的大幅損失，這樣的特性讓其在工程實(shí)現(xiàn)上充滿了挑戰(zhàn)。

針對這一嚴(yán)峻的問題，中國科學(xué)院力學(xué)研究所提出了高壓捕獲翼構(gòu)型的全新布局方案，通過“捕獲”機(jī)體上壁面壓縮來流形成的高壓區(qū)來得到可觀的升力補(bǔ)償，根據(jù)空氣動力學(xué)原理，機(jī)體的容積增加，壓縮形成的高壓區(qū)強(qiáng)度增加，得到的升力補(bǔ)償進(jìn)一步增加，巧妙地緩解了容積率和升阻比的矛盾關(guān)系。

經(jīng)過數(shù)年的努力，這一構(gòu)型研究取得了較大的發(fā)展。2018年，力學(xué)所在SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy上發(fā)表封面論文“Hypersonic I-shaped aerodynamic configurations”，引起國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注；2020年，力學(xué)所針對該構(gòu)型開展了馬赫數(shù)6狀態(tài)下的風(fēng)洞試驗(yàn)，結(jié)果表明該構(gòu)型相比于某國外設(shè)計(jì)的主流高性能乘波體構(gòu)型，最大升阻比及其對應(yīng)的升力系數(shù)分別提升了5%和86%，且容積率提升了約10%，有力地證明了這一構(gòu)型在氣動性能上的潛力。

2021年，力學(xué)所針對高壓捕獲翼構(gòu)型進(jìn)行了“馭風(fēng)一號”飛行試驗(yàn)，首次得到了該構(gòu)型的真實(shí)飛行數(shù)據(jù)，為更深入的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究提供了支撐。

這種設(shè)計(jì)通過巧妙利用機(jī)翼的形狀和結(jié)構(gòu)，在承受大容積帶來的飛行阻力的同時(shí)，顯著提高了飛行升力，從而緩解了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中容積和升阻比的矛盾關(guān)系。這一創(chuàng)新不僅提高了飛行器的總體飛行性能，還為未來的航空航天事業(yè)開辟了更加廣闊的發(fā)展空間。

高壓捕獲翼構(gòu)型示意圖

（圖片來源：航空學(xué)報(bào)）

除了高壓捕獲翼外，科研人員還在探索其他多種新型機(jī)翼設(shè)計(jì)，如可變形機(jī)翼、智能機(jī)翼等。這些設(shè)計(jì)通過改變機(jī)翼的形狀、結(jié)構(gòu)或功能，以適應(yīng)不同的飛行環(huán)境和任務(wù)需求，為飛機(jī)的未來發(fā)展提供了更多的可能性。

結(jié)語

機(jī)翼不僅是飛機(jī)的核心部件，更是人類探索天空的智慧結(jié)晶。從最初的木質(zhì)機(jī)翼到如今的復(fù)合材料機(jī)翼，從簡單的形狀設(shè)計(jì)到復(fù)雜的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，機(jī)翼的發(fā)展歷程見證了人類對于飛行夢想的執(zhí)著追求和不懈努力。

在未來的日子里，隨著科技的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新的不斷涌現(xiàn)，機(jī)翼的設(shè)計(jì)將會更加高效、環(huán)保和智能化。它將繼續(xù)引領(lǐng)著人類跨越天空，探索未知的世界，書寫著屬于人類的飛行傳奇。