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一战后的飞机结构 第一次世界大战期间的飞机结构科技发展非常迅速，战后由于缺少刺激而使步伐变慢。大战期间各国共生产超过15万架的飞机，大部分使用木材制造，使得木料来源濒临枯竭，大战末期由于杉木缺乏，设计人员只得采用夹板而非实木来设计支柱和翼梁。也由于木材的供应有问题，英国的航空部（Air Ministry）宣布未来英国飞机将采用全金属的设计，不过二战时期英国著名的蚊式战斗机（Mosquito），还是以三合板做为结构材料，该机也是全世界最后一架全木制生产型飞机。 1919年，容克斯把J.10的经验融入单发民用机F.13的设计里。这是一架全金属、铝质波纹蒙皮、悬臂式下单翼飞机，可乘坐两名机组和四名乘客，时速167公里，到1932年底共生产了350架。接着是可乘坐15名乘客，时速278公里，非常成功的Ju 52民航机，并成为纳粹德国空军第二次世界大战时的空运主力。Ju 52是下单翼机，方方正正的机身覆盖铝质波纹蒙皮，看外观就是典型容克斯飞机，机鼻和左右机翼的发动机舱内共安装3具星型发动机。
美国福特汽车公司（Ford Motor Company）从1926年起也开始生产外型方正、全金属、厚实上单翼、波纹蒙皮、和Ju 52一样3具发动机的“锡天鹅”（Tin Goose）3发飞机（Trimotor），该机可乘坐12名乘客、时速232公里。虽然福特和容克斯的波纹蒙皮非常耐用，但蒙皮事实上承受的负载很少，却产生不小的风阻，以结构效率而言这种设计没什么前途。
1916年，一位二十多岁热衷于飞机的年轻小伙子诺斯洛普毛遂自荐加入加州圣芭芭拉，由劳黑德兄弟创立才一年的劳黑德飞机制造公司，他最初负责设计F-1（Flying Boat No.1）的机身外形，接着则设计翼展长达22.86米的机翼。F-1是一架双发、可乘坐10名乘客的双翼水上飞机，也是当时全世界最大的飞机，1918年3月28日由阿伦进行首飞。
F-1的飞行性能非常优越，美国海军也有所耳闻。阿伦应海军的要求把飞机飞到圣地亚哥的北岛（North Island）进行评估测试，不过美国海军当时才刚订购了寇蒂斯HS-2L（Curtiss HS-2L）水上飞机机，因此在进行了3个月的测试后，只与劳黑德签约制造两架改进型飞机，并请他们为海军代工制造HS-2L。
一战结束后，军方的代工合约马上取消，公司的生存立即遭遇严重的威胁，但劳黑德兄弟与诺斯洛普仍不气馁，准备生产一种新型大众化的单人双翼小飞机S-1以挽救公司。大概是受到诺斯罗普当初设计F-1船式机身的经验影响，S-1最大特征就是半硬壳式机身。
1929年诺斯罗普离开洛克希德，自己成立了一家诺斯洛普飞机公司（Northrop Aircraft Company），探索应力蒙皮结构的应用，而洛克希德则沿用“织女星”的设计继续制造飞机。1931年洛克希德推出的“猎户座”（Orion），基本上就是把“织女星”改为下单翼布局，因此可以使用较轻较短的起落架，收起时可放进厚翼根内。“猎户座”是第一架使用可收放式起落架的民航机，因此虽然和“织女星”使用相同的550马力星型发动机，巡航时速却快92.6公里，事实上每小时370公里的巡航速度已比当时大部分战斗机的速度还快。从此之后，流线型半硬壳机身、悬臂式下单翼、可收放式起落架就成为飞机的标准构型了。
诺斯罗普离开洛克希德后做的第一件事就是制造一架很像飞翼的飞机，这架于1929年完成的实验性飞机翼展长达9.14米，机翼厚度由翼尖向翼根处逐渐增厚，机翼中线处并排安置两个开放式座舱，机翼中央有一类似机身的凸出结构用来安装发动机，两根细长的尾撑用于安装机尾控制面。这架飞机的外型虽然是当时首创，但仍属铝质半硬壳式结构，诺斯罗普以该机来测试如何造出更有效率、更轻的金属飞机，例如：这架飞机没有传统的翼梁，而代以弦线方向间隔38.1厘米向全翼展延伸的6片垂直抗剪腹板（shear web），腹板的顶端和尾端弯折90度以提供加强条的功能，腹板和机翼外蒙皮在此以铆钉铆接。
继这架飞机之后，诺斯洛普公司在20世纪40年代到50年代之间，陆续研制了N-1M飞翼（flying wing）以及相同外型的XB-35和YB-49，最终则是在1989年首飞的全复合材料隐身轰炸机B-2。
虽然诺斯罗普的飞机只是实验性质，但诺斯洛普公司迅速在1930年推出了“阿尔法”（Alpha），这是第一架以平头铆钉接合（flush-riveted）的全铝、光滑外表面、半硬壳机身，以及全铝多室机翼（multicellular wing）的生产型飞机。它可乘坐6名乘客，下单翼、安装一具星型发动机、外覆由美国国家航空顾问委员会（NACA）设计的减阻发动机罩。
多窝状机翼结构是诺斯罗普当年任职于洛克希德公司时所研制的，在这种设计里，机翼蒙皮可承受弯矩、压缩、拉伸负载，而不需翼梁的上下缘条（spar cap）。这种应力蒙皮的设计方式也成为20世纪30年代的标准，除了应用在诺斯洛普公司本身的飞机外，道格拉斯公司飞机和波音经过稍微修改后，都应用到各自的DC系列和B-247飞机上。
在之前的飞机设计中，金属仅是木头的替代材料，飞机设计方式并没有因此创新，“阿尔法”宣告了这种设计方式的结束。从20世纪30年代初期开始，单翼、全金属、半硬壳、应力蒙皮成为标准设计，配合价廉高强度铝合金的研制，以及发动机和螺旋桨设计的进步，这种设计方式成为时代趋势。 虽然在第二次世界大战开始时，许多国家的军用飞机仍坚持双翼构型，但在20世纪30年代，全金属半硬壳单翼的设计理念也扩展到军机上。美国在1932年3月推出了第一架单翼战斗机——波音的P-26“玩具枪”（Peashooter），时速370公里，采全金属、铆钉接合、开放式驾驶舱、固定式起落架、单发动机、以及与B-247相同的发动机罩，机翼因为有外拉钢线所以不完全是悬臂式。真正的第一架悬臂式单翼战斗机在3个月后出现，这就是于1932年6月首飞的法国德瓦蒂纳D-500。这架飞机和P-26一样采用固定式起落架、开放式驾驶舱、V12水冷式发动机，性能大致相仿。1933年苏联出现时速达500公里的波利卡尔波夫I-16，这是第一架悬臂式机翼可收放式起落架的战斗机，机翼采用全金属翼梁，但外表面覆盖粗棉布，安装在木头硬壳式机身上。第一批全金属、铆钉接合、半硬壳式机身、下单翼、可收放式起落架、封闭式座舱的战斗机是1935年4月出现的美国寇蒂斯公司的霍克75A/P-36、5月出现的德国Bf 109、以及8月出现的美国P-35。
第一架全金属，具备一切现代民航客机（除螺旋桨发动机外）特点的商用单翼机是1930年波音公司的单发邮政机（Monomail），波音根据这架飞机的半硬壳式机身和应力蒙皮设计，在1931年为美国陆军航空部研制了双发动机轰炸机的原型机YB-9。
由于美国陆军未将YB-9投产，波音与它的商业伙伴联合航空（United Air Lines）经过慎重考虑后，在1932年以B-9构型为基础研制了体型稍小的商用机型，这就是于1933年2月首飞的B-247。这架在结构设计史上翻下新篇章的飞机是架具有全金属、应力蒙皮结构、全包覆式机舱、橡胶除冰靴、配平片（trim-tab）、流线型发动机罩、自动驾驶仪、下单翼、可收放式起落架设计特点的飞机，只凭一台发动机也能飞行和爬升。也就是说B-247是第一架“现代化”的民航机，之后的每一种民航机都是在模仿它的特点。这架飞机虽然只能乘坐10名旅客，但飞行时速比福特的三擎机快上56公里，可在24小时内飞越美国本土，因此极富商业竞争力，广受各家航空公司的欢迎而供不应求。但飞机的机身较低矮，旅客在机舱内要弯腰前进，还得跨过突出于地板上的机翼后梁。
由于波音的生产线无法满足航空公司的订单，道格拉斯公司乘势崛起，迅速推出后来名噪一时的全金属、下单翼、双发动机、可收放式起落架DC（Douglass Commercial）系列客机。可乘坐12名旅客的DC-1首飞于1933年，只比B-247晚了五个月。DC-1的机翼翼梁在机舱地板的下方，因此舱内陆板平坦，空间较宽阔，旅客不需弯腰。1934年道格拉斯公司接着推出了机体较长，可乘坐14名旅客的DC-2；1935年则是推出了可乘坐21名旅客的DC-3。 DC-3的性能、有效载荷、坚固性使得航空公司真正开始能从民航运输中赚取利润，因此到了1940年就成为全世界航空运输业使用最多的飞机。DC-3是第一架能通过运送旅客及货物，不需政府补贴就能赚钱的民航机，到第二次世界大战结束时，共生产了1万1,000多架，是全世界到目前为止单一机型生产量最多的飞机，其中大多数是军用型的C-47。
DC-3划时代的成功，归功于同时具备了可收放式起落架、NACA设计的发动机罩（B-247的发动机罩由波音自行设计）、襟翼（B-247没有襟翼）、高效率增压发动机、变距螺旋桨。DC-3机翼内有三根主梁而非常见的两根，增加了机翼的耐用度，使得飞机结构具有安全性损坏（fail-safe）特性，疲劳寿命很长。DC-3具备了一切铝合金半硬壳结构的特点：成形后的铝蒙皮以铆钉和机体、纵梁、翼肋、翼梁、加强条、成形条相互铆接。现今最新式的C-17“环球霸王”（Globelmaster）运输机，翼展50.29米，最大起飞总重265吨，但机翼结构却和翼展28.96米，最大起飞总重11吨的DC-3基本一样，都是三翼梁、多翼肋、应力蒙皮的设计。可以这么说：DC-3之后的飞机和DC-3之间只有细节的差异，基本设计理念没什么不同。
除了少数外，二战时期出现的战斗机和轰炸机大多是半硬壳式结构，材料大多是铝和钢，例外之一是当时颇富盛名的英国“蚊式”（Mosquito），这是一种时速667公里、双发上单翼的战斗轰炸机，于1940年11月首飞。“蚊式”是架轻重量、敏捷的全木制飞机，机身为两层杉木夹板中间夹轻质木料构成的硬壳式结构，这是历史上三明治结构（sandwich construction）的首次应用实例之一。到1950年为止，“蚊式”共生产了780架，是最后一种生产型全木制飞机。
在航空史上，从1939到1947年是涡轮喷气发动机革命的年代，除了极少数例外，这段期间所出厂的飞机不论外型有多大的差异，内部基本结构和DC-3几乎没什么不同，能对飞机结构设计带来新意的就是是20世纪30年代晚期分别由英国惠特尔（Frank Whittle）和德国的奥海因（Hans J. P. von Ohain）发明的涡轮喷气发动机。1939年8月27日，一架德国的秘密实验飞机He 178首飞成功，两年后的1941年5月15日，惠特尔390公斤推力的离心式涡轮喷气发动机推动着格罗斯特（Gloster）E-28/39飞行了17分钟，带领英国进入喷气时代。
全世界第一架喷气式战斗机是梅赛斯密特（Messerschmitt）设计的Me 262，于1944年进入德国空军服役，一个月后格罗斯特飞机公司的“流星”战斗机（Meteor）也加入了英国皇家空军的行列。这两种飞机的涡轮喷气发动机都装在机翼上，时速超过926公里，大大超过了最快的螺旋桨飞机。
Me 262是第一架后掠翼生产型战斗机，机翼后掠的目的是把超重的Jumo 004涡轮喷气发动机的重心后移，巧合的是后掠翼降低了高速时的阻力，但在当时人们不理解其原理何在。为了减少风阻，Me 262的机翼很薄，虽然主起落架能放进翼根内，但机腹就得较宽以容纳轮胎，飞机的剖面就像鲨鱼一样，上窄下宽。早期的Me 262原型机采用后三点式起落架，后来改为前三点式，机鼻有足够的空间来容纳轮子。 美国第一架喷气机是贝尔飞机公司（Bell Aircraft）的XP-59A，于1942年10月首飞，由两具通用电气公司的喷气发动机推动，时速接近741公里，总产量不到100架，之后被时速926公里的洛克希德P-80“流星”（Shooting Star）取代，后者是美国的第一种实用化喷气式战斗机，1945年初开始生产。
由于缴获了许多德国涡轮喷气发动机、文件和技术人员，因此二战后苏联很快推出了第一型喷气式战斗机，分别是雅科夫列夫（Yakovlev）设计的雅克-15和米高扬-格列维奇（Mikoyan-Gurevich）两人设计的米格-9，两架原型机都在1946年4月24日首飞，和P-80一样都采用平直翼设计，事实上在二战后研制喷气式战斗机的热潮中，最初人们仍沿用了活塞式战斗机的传统设计，飞机的外型的变化主要是因为喷气发动机的截面积较小，并利用以往被活塞式发动机所占用的机头空间。
1945年到1948年所出现的喷气式战斗机在结构设计上并没有任何创新之处，把涡轮喷气发动机“埋”进机身或机翼的主要动机是气动需求，但牺牲了维修方便性，同时还得加强机翼结构以传递发动机负载。喷气式运输机最后流行把发动机以吊舱形式外挂于机身上或机翼下方，改善了可维护性。 在1935年罗马举办的一场高速空气动力学研讨会中，德国的布泽曼（Adolf Busemann）首先提出了后掠翼可降低风阻。1945年1月在NACA的兰利实验室（Langley Laboratory），研究员琼斯（Robert T. Jones）在对布泽曼理论毫无所悉的情况下，在设计导弹过程中提出了“亚音速后掠”的理论，经过几个月的超音速风洞吹试，证实了此理论是正确的。第二次世界大战快结束时，琼斯向主管建议：以后高速飞机都应该采用后掠翼。战后布泽曼携带丰富的后掠翼模型风洞数据来到美国，加入了兰利实验室团队，而这也立即影响到全世界第一架后掠翼喷气轰炸机——波音1947年推出的六发B-47“同温层喷气”（Stratojet），和北美公司（North American）F-86“佩刀”（Sabre）喷气式战斗机的设计，B-47和F-86的机翼都是后掠35度。苏联则根据缴获自德国人的资料，推出了后掠翼的米格-15，该机首飞于1947年12月，只比F-86慢了3个月。F-86和米格-15代表着第二代喷气式战斗机的诞生。
进入20世纪50年代后，NACA、美国空军、海军开始进行研究超音速飞行，搜集数据并设计超音速飞机，研制了一系列的验证飞机。贝尔公司的子弹外形火箭动力X-1是全世界第一架超音速飞机，X-1先进改型飞到两倍音速，后掠翼不锈钢的X-2则飞过3倍音速；道格拉斯公司的X-3“短剑”（Stiletto）是用来研究惯性耦合的试验平台，具有早期超音速战斗机的典型设计构型；双发的诺斯洛普X-4是后掠翼无尾翼构型，用来研究后掠翼的特性；贝尔X-5则是美国在大战结束时，从缴获的梅赛斯密特P.1011可变几何外形机翼研究机所得到的灵感，验证了由20度到60度的的可变机翼后掠角。虽然这些X系列的飞机对超音速设计并无任何帮助，但却证明了后掠机翼、低厚度/弦线比、全动式尾翼的优点，打破了音障的限制，并使飞机能完全利用涡轮喷气发动机的全部优点。
1952年在NACA的研究备忘录L52H08中，有一篇惠特科姆（Richard T. Whitcomb）撰写的《近音速时机翼/机身结合处零升力阻力特性研究》的文章，对突破音速有重大的影响。惠特科姆根据风洞测试的结果，证明了“面积律”（area rule）可以降低超音速时的波阻（wave drag）。根据面积律，在飞机上机翼和机身相接合的位置机身的截面积应减小以适配机翼的截面积，对迎面而来的气流而言，机翼加上机身的总面积必需维持不变，因此机身的外型变成所谓的“可口可乐瓶”的样子。康维尔（Convair）公司的工程师立即根据该法则重新设计了1953年首飞但性能不佳的F-102“三角剑”（Delta Dagger）战斗机，将平直的腰部内缩。带有蜂腰的F-102A于1954年12月首飞，速度增加了20%，轻易地飞过音速。“面积律”是喷气机时代最重要的工程发展项目之一，直到今天几乎所有的高亚音速或超音速飞机，多多少少都应用了这个法则。
到了20世纪50年代中期，生产型的喷气式战斗机，如由北美公司的F-100“超级佩刀”（Super Sabre），已经能在平飞中超过音速。到了1956年，洛克希德的F-104“星式战斗机”（Starfighter）是第一架能持续飞行于两倍音速的飞机，该机具备优良超音速气动布局所应有的外型——尖锐的鼻端、纤细的机身、薄且锐利的机翼，这种设计的目的是在减弱机鼻和翼前缘的激波（shock wave）强度，以降低超音速时的波阻（wave drag）。F-104的机翼厚度/弦长比只有4%，机翼前缘非常尖锐，停在地面时得加上防护夹才不会伤到附近工作的维修人员。
F-104的机翼无后掠，展弦比（aspect ratio）很低，和一般超音速飞机采用后掠高展弦比机翼的方式大大不同，这是因为平直低展弦比机翼的波阻和后掠高展弦比机翼的波阻大致相同，这种机翼的亚音速性能当然很差，但F-104追求的是两倍音速性能，只好牺牲亚音速性能了。 这种第二代喷气式战斗机的机翼很薄，翼载（wing loading）很高，设计时通常采用多翼梁翼肋的设计，机身蒙皮和加强条通常由板件生料一体加工成形。
伴随着超音速飞行而来的是因空气摩擦产生高热所导致的机体结构强度退化问题，首先当温度达到100摄氏度时，轻合金的静力强度（static strength）会大幅度衰退；其次在120摄氏度的环境下待满100小时后，轻合金抵抗潜变（creep）的能力会大幅度降低。在飞机超音速飞行时间很短暂，外蒙皮产生的热还来不及传到内部主结构时，这些都不是问题，一旦需要长时间的超音速飞行，为了防止因高热使结构失去强度，飞机的结构设计就要有所改变。 为了让机体拥有足够的强度和刚性（rigidity）又不至于超重，解决方法之一是使用蜂窝三明治结构。1956年美国第一架超音速轰炸机，通用动力公司的（General Dynamics）B-58“盗贼”（Hustler）就大量使用了这种结构来解决超音速摩擦热问题。B-58能持续超音速飞行两小时以上，最高飞行速度将近2马赫，此时部分蒙皮的温度超过摄氏120度。 B-58蜂窝三明治结构的外层是厚度仅有0.381毫米的高强度不锈钢蒙皮，内层夹心则是轻质六角形铝薄片蜂窝，使用区域占了机翼面积的90%，机体面积的80%。蜂窝蒙皮的结构重量轻，如此大面积的使用下，只占了全机最大起飞重量的16.5%，并且刚性足，即使到260摄氏度也依然能够维持设计的强度。不过相对而言，蜂窝蒙皮的制造成本就很贵，每平方英尺约需1,200美元，因此B-58的机体造价比同重量的金子还贵。装备部队后，三明治结构的外层蒙皮很容易因为维修或腐蚀产生损伤，修理耗时而且需要在高温下加压胶合，产生诸多困扰，导致B-58在1969年就提早退役了。
著名的SR-71“黑鸟”（Blackbird）3倍音速高空战略侦察机，为了适应高速飞行时机身局部超过500摄氏度的高温而大量使用了耐热钛合金，比例高达93%，在主翼上还开有许多为应付热涨冷缩的细长沟纹，此外全机也沿用了U-2的黑色涂装，因为黑色是最佳的辐射散热颜色。SR-71采取无尾三角翼构型，加上翼根前缘两侧延伸的边条，形成极佳的升力体，而这种设计也成为后战斗机上屡见不鲜的机身/机翼融合体（blended-wing-body）的滥觞。
为了延长飞机结构的疲劳寿命，提升飞机的性能，选用抗疲劳性更好的新材料是必然趋势。20世纪60年代开始，飞机上曾选用的替代材料包括合金钢、钛合金…等，但这些材料的重量重、施工困难，不符合飞机工业轻薄的需求，除非必要不会轻易选用。到了20世纪80年代，飞机结构材料的发展走向了先进复合材料。 采用复合材料的最主要原因是减重，增强飞机的性能，其次是抵抗疲劳和腐蚀的能力更好，可以延长飞机的寿命，现在则又因为能满足隐身的需要而成为热门材料。先进复合材料的比强度（单位重量的强度）、比劲度都比传统金属要好，根据经验在强度相同的条件下，采用复合材料可以较铝合金节省约30%的重量。复合材料耐热耐腐蚀，有极好的抗疲劳性，结构疲劳寿命比传统的铝合金强上好几倍，又可以让雷达波穿透，降低飞机的雷达反射面积，因此成为新型飞机不可或缺的使用材料之一，不过飞机结构设计并没有因此而有任何的改变。
最典型的例子就是全世界最先服役的第四代战斗机JAS-39“鹰狮”，这架于1996年6月进入瑞典空军服役的先进战斗机机翼全部使用碳纤维复合材料，但结构仍然是传统的多翼梁、翼肋、蒙皮设计，而且相互间的接合方式并不是胶结，仍然是传统的金属固定件铆接，由此可清楚看见复合材料对飞机结构的设计方式几乎没有什么影响。 未来发展 为了降低飞机的寿期成本（life time cost），目前飞机工业正在发展智能结构（smart structure），结合了微电子技术、先进的飞机设计概念与复合材料的制程技术，把微型传感器、微处理器、光纤、压电材料植入飞机的复合材料蒙皮和承载结构中，让它能感受外界的声、温、压、电、磁……等的变化并做出反应。例如美国提出的一种“灵敏机翼”概念，通过密布于机翼蒙皮上的传感器，感觉翼面上各部位的压力，然后把数据传送给计算器，经过计算后控制安装在机翼内的致动器，不断改变机翼上下表面的曲率，让它根据飞机的速度、流场的变化，自动改变翼型，以降低飞行阻力。 另外还有一种智能结构是在飞机的机翼、控制面、机身...等位置安装传感器，实时（real time）监测飞机在服役期间内结构是否由于过载（overload）、疲劳、腐蚀……等原因，产生疲劳裂纹或初期损伤，使维修人员能在第一时间内予以修复，避免因疏失或未及时发现损伤导致后续巨大的损失，并增进飞行安全。 随着先进复合材料在飞机结构上的应用越来越广泛，智能结构未来更进一步的发展是自动修复，飞机出厂时复合材料结构内层安置整排的小型光纤（fiber-optic）感应器并预置化学修补材料，一旦结构发生损伤，材料会自动释放，填补结构内层的孔洞或脱层，进一步免除了维修的工作，届时不但增加飞机结构的寿命，同时也能避免由于地面维修人员疏失所造成的飞行安全事件。
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