从折一架牛掰的纸飞机说开去：到底飞机怎么设计才算好？

纸飞机，当然大家都折过。但是如果让我总结如何能够折出来一架牛掰的纸飞机，我可没什么好建议，唯一记得的就是纸要硬点儿，其他好像再也说不出来什么了。

世界上目前为止，由人力投出来的纸飞机最远可以飞行69.14m，这架创造纪录的纸飞机是由来自美国的John M. Collins设计，由同样来自美国的Joe Ayoob投出。

△飞机由Ayoob投出△

这架飞机虽然看起来并没有与普通的纸飞机有什么太大的不同，但是根据这架纸飞机的设计者Collins说，他从小就热爱折纸飞机，甚至于专门学习了日本的传统折纸技巧，通过无数次的尝试才最终完成了这架打破世界记录的纸飞机。而得益于非常优异的性能，在场的观众即便没有经过什么训练也可以将这架纸飞机扔出去很远。

△飞机本身似乎没有那么特殊△

当然，这架纸飞机能够打破世界纪录跟投手Ayoob的训练有关，通过让飞机获得极快的速度、恰当的起飞角度可以很大程度上增加飞机的飞行距离。但是归根结底，这架纸飞机是一架优秀的纸飞机。

先说飞机的“滑行比”

纸飞机飞得好不好，实际上很大程度上跟这架飞机的“滑行比”有很大的关系。所谓的滑行比是什么？就是飞机在无动力飞行的情况下前进的距离和下降距离的比值。比如说飞机从100米的高空开始稳定滑翔，最终落地的时候水平前进了700米，那么这架飞机的滑行比就是7。

我们知道，一架飞机在飞行的时候，由于飞机与空气之间存在相对运动关系，飞机也受到空气的作用力。其中，有一部分力是我们需要的，这个力垂直于飞行方向向上，我们称之为升力，这个力会托起飞机；另外一个力平行于气流方向，是阻碍飞机前进的力，我们称之为阻力。

△飞机机翼在气流作用下受到的力△

而如果简单分析一下这架正在稳定飞行的飞机，显然飞机由于没有动力，所以就只受到重力、升力和阻力的作用，而如果只要有一点点的受力分析和几何分析基础就可以发现，这架飞机升力与阻力的比值就等于这架飞机的滑行比。

△飞机滑翔时候的受力△

于是我们就发现了影响飞机飞行

更加本质的一个因素：飞机的升阻比。

升阻比是飞机设计中极为重要的一个参数

飞机的升阻比就是在一定飞行状态下飞机产生的升力和受到的阻力的比值。

正如刚刚分析的那样，其实一架飞机的升阻比代表了一架飞机“变废为宝”的能力，一边克服不需要的阻力一边产生需要的升力，而这才是一架飞机得以起飞的最重要的因素。

飞机的升阻比受到很多因素的影响，比如说飞机的飞行姿态（也就是飞机与气流来向之间的夹角，又叫做攻角），比如说飞机的飞行速度，等等。但是归根结底，还是飞机本身的结构。

1

机翼面积

这一点很好理解，当飞机在飞行的时候可能迎风面积是一样的，所以阻力几乎可以认为不变，这个时候增大机翼的面积可以让气流更好地产生托举飞机的力，这就是机翼面积对升阻比的影响。

但是机翼面积越大，飞机也就自然而然得越重，所以对于一架重量确定的飞机，想要增大机翼面积已经很难了，所以这个时候我们要去动另外的脑筋了。

2

展弦比

展弦比就是飞机机翼的长度比上宽度。展弦比越大就代表飞机机翼越细。如下图所示：由左往右，飞机机翼的展弦比越来越大。

△不同展弦比的飞机（来源见图片）△

之所以展弦比这个参数会对升阻比影响那么大，很大一个原因就是飞机机翼的尖端会产生“翼尖涡流”。这是一种因为飞机机翼下方压力比上方大而导致气流会产生一个由下往上运动的趋势。当飞机在运动的时候，气流在这种趋势的带动下就会形成一个漩涡。

△飞机穿过云层时产生的漩涡△

虽然这个漩涡很美，但是从能量角度看，飞机耗费宝贵的燃油让空气打转转，显然会导致飞机飞行效率的下降，所以如何抑制翼尖涡流是一件影响飞机飞行效率，也就是影响飞机升阻比的大事情。而通过把机翼变得细长，可以让涡流相比较于整个机翼变得微不足道，从而带来良好的升阻比。

△大展弦比的机翼翼尖涡流影响较小△

比如说著名的U-2侦察机就是一种超大展弦比的飞机，从而获得了良好的飞行特性。而世界上滑行比最高的飞机：Eta，只要看它的样子你就能够明白为什么这架飞机的滑行比可以高达70。相比之下，纸飞机的滑行比/升阻比还不到1.5。

△滑行比高达70的Eta△

为什么纸飞机不用大展弦比结构呢？

大展弦比结构千般好，万般好，为什么我们的纸飞机却不用这种大展弦比结构呢？原因很简单：纸飞机的机翼做得这么细，早就没有什么强度了，“机身”上面粘着两根纸条还怎么飞行？

事实上，我们实际中的飞机也面临了这个问题：想要把展弦比做大，但是飞机机翼强度不够。比如说上图中的Eta，机翼已经在飞行的时候弯的不成样子了，如果再增加展弦比，恐怕机翼很容易折断。

那么有没有什么可以增加强度展弦比又能够保证飞机机翼强度的办法呢？有！那就是传说中的封闭机翼——closed wing，也就是下图的这个东西。

△封闭机翼△

为什么用了封闭机翼就立刻解决了大展弦比的强度问题呢？简单说，你只要把Eta滑翔机的机翼掰弯到飞机顶部（如下图，假设赛亚超人的胳膊就是机翼），就是封闭机翼了。我们在这个折叠机翼的过程中在保持大展弦比的同时，还避免了飞机机翼伸出去太远，从而保证了飞机机翼的强度。

△封闭机翼是怎么构造的△

当然了，这种封闭机翼的结构还存在很多其他的问题，目前只出现在一些概念飞机和试验飞机上，离真正的商用还很远。但是只要了解了其中的道理，你就知道这种外形奇特的飞机其实背后有深深的空气动力学的道理在里面。

△封闭机翼飞机的全尺寸原型机△

尾声

我们从折纸飞机开始，说到了滑行比，又说到了升阻比，又说到了飞机的结构和强度，逐渐看到了飞机设计中需要考虑的问题。

不过这都是很浅显的道理，也有很多的问题，比如说升阻比是跟飞机的飞行速度有很大的关联的，对于一些需要超声速、乃至高超声速飞行的结构，大展弦比的飞机升阻比反而会极速下降，比如说我们看到的东风17就没有长长的机翼。

△东风-17高超声速飞行器△

所以，飞机设计很复杂，科学家、工程师们很不容易，大家看到满天飞机的时候，要知道背后的诸多问题都是有无数人付出了大量的心血。

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