寻找最完美的机翼

By Peter Garrison

Air & Space Magazine

February 2019

数据删除 译

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

机翼设计上的一些突出特征往往被以为必然具有某种微妙或深刻的空气动力学上的目的，但实际上大部分时候都没有。其中一个典型例子就是程度有限的机翼前掠/后掠。1930到1945年间的飞机设计中这一情况出现的很广泛而且各不相同，从完全平直的机翼前缘搭配前掠的后缘（德·哈维兰“蚊”式）到完全相反的前缘后掠后缘平直（道格拉斯DC-3，北美航空T-6）。在当时，机翼的前后掠实际上主要是由设计师的个人口味、机翼内部的结构设计需求决定，乃至有时只是为了对应飞机的重心位置做出相应的机翼位置调整而已。这一时期的飞机基本上都还没有快到可以发挥出我们今天熟悉的前/后掠机翼的优势。

具有些许后掠角的机翼在间战期间是常见设计。1935年首飞的道格拉斯DC-3就有一副前缘后掠而后缘平直的机翼

而实际上，真正对机翼性能最为重要的属性之一其实一眼便知：机翼的比例是又长又细还是又短又宽。

机翼的翼展和它的从前缘到后缘的弦长的比值被称为展弦比。早在19世纪人们就开始通过观察不同的鸟类的翅膀和飞行发现了展弦比的影响，那些具有更大翼展和更高展弦比的翅膀可以用更少的振翅托起一样的体重负载飞行（因为更低的诱导阻力）。而在飞机上，尽管有前述的优势，但高展弦比机翼会导致机动性较差，而且这样的机翼的强度和刚度都会比起更短更宽的低展弦比机翼更低。

不同的鸟类为了各自不同的生活所需演化出了形态不同的翅膀，飞机机翼也是同理

亚音速飞机的机翼形态因此逐渐发展出了两个大类：像战斗机那样快速、敏捷、机动的飞机机翼一般都较薄，同时展弦比在5-6左右；而以载荷能力为主的飞机——像轰炸机、运输机、民航客机这些一般会用展弦比10以上的机翼，同时为了容纳必要的机翼内部结构，一般这些飞机的机翼厚度也较高。

虽然很多双翼机的机翼都只是普通的长方形形状，但几乎所有单翼机的机翼几乎都是逐渐收缩的梯形机翼设计，这种现象的原因出在结构上。双翼机的上下翼之间由翼间张线桥接在一起，这将机翼的载荷均匀地分散到整个翼展上。而常见的使用悬臂式设计、没有额外张线拉杆支撑的单翼机机翼，机翼受到的所有载荷都会被集中施加到翼身连接处。为了应对这一情况，最好把机翼设计成翼根处较厚，同时降低翼远端到翼尖产生的升力和负载，这就是为什么几乎所有单翼机的机翼都同时在宽度（弦长）和厚度上都是渐缩的。

SPAD XIII战斗机，展示了典型的一战双翼战斗机的翼间结构：绷紧的张线交叉穿过了几组垂直的翼间支柱

渐缩比——翼尖处宽度（弦长）与翼根处弦长的比值，在一开始的时候似乎也完全是由设计师口味决定的，二战前和期间的飞机主翼渐缩比普遍都在0.25或者更小的值上；这表示翼尖的宽度差不多是翼根的四分之一。而容克斯的Ju 88轰炸机的高空衍生型号将渐缩发挥到了极致：机翼到了翼尖处几乎缩成了一个点。极端的渐缩比让飞机可以在提升翼展的同时不增加太多的结构重量和阻力面积，这让飞机可以具有更高的爬升率，更好的高空性能，同时还能提高巡航的燃油经济性。但极端的渐缩还会导致飞机的在失速时会陷入过于剧烈的滚转；翼尖扭转几度可以延迟翼尖失速和这一现象的发生，但扭转本身又会产生额外的阻力。到二战快结束时，极端渐缩的机翼设计已经基本上不再被采用了：渐缩比在三分之一到二分之一的设计成为了主流选择。

作为“喷火”的高空专用型号，“喷火”Mk.VII也使用了极端“尖头”的翼尖设计

虽然机翼大部分的基本特点都是前人在试错过程中逐渐确定的，但真正的科研在这一过程中并没有缺席。那些自一开始就和飞行与航空紧密联系在一起的国家都有各自的由政府直接支持的航空科研组织：英国的范保罗，法国的默东，俄罗斯的库奇诺（在沙俄时期由茹科夫斯基建立的航空研究机构）……而美国也在1915年由国会批准，在弗吉尼亚汉普顿建立了美国国家航空咨询委员会（NACA）。在这些组织的风洞中，诞生了无数最终塑造了今天我们的飞机外形的重要发现。

每个机翼设计都有一个不太起眼但非常重要的属性，那就是他的机翼截面的形状，也就是他的翼型。法国、德国、英国和美国等各国自己的科研机构都将各种翼型组成一个个系列设计，适用在速度和翼载需求各不相同的飞机上。这些翼型系列中的大部分其实都是通过比较抽象的数学运算过程求出的一边圆而一边尖的基本曲线形状，而非通过物理层面的流体力学；然后这些形状会被放在风洞中测试来得出他们具体的空气动力学特性，然后设计师再从这一堆候选中挑出性能足够好的，放入目录中成为真正的可用翼型。

因为发现与测试翼型的过程在航空史早期通常依赖于试错与经验法，因而当时研发出的翼型很多是直接使用制造商或发现者的名字命名的；而在翼型曲线逐渐开始使用数学方法求得之后，大部分翼型会以一组可以准确表达翼型具体形状的“代号+数组”的形式定名

而很多为翼型理论发展奠定了重要基础的工作都是由德国科学家马克思·蒙克完成的，他在1920年以技术顾问的身份来到了NACA的兰利实验室，并升任成为了空气动力学部分的主管。蒙克是一位非常难以共事的人，有的官方历史甚至将蒙克描述成“一位空气动力学巫师的同时还是个不稳定的江湖骗子”。他专横独裁而又固执，非常在意等级制度，对谁都漠不关心，而且因为他的英文水平也不咋样，有时连话都说不清楚。兰利的工程师之间还流传着搞笑的故事，讲述蒙克在来到美国学会开车后，每次都要靠他在方向盘上装着的一个类似量角器的装置计量才能在路上转弯。终于到了1927年，在兰利实验室各下属部门首脑以全体辞职的方式表达了对蒙克本人的抗议之后，他才不得不退位离开实验室。（译注：马克思·蒙克早年在德国哥廷根与普朗特等人共事，并在来到美国后最终完成并提出了他的薄翼理论，该理论可以在一定条件下将翼型的升力问题转化为对弧线的环量求解）

由Munk在NACA提出并建设的可变密度风洞（Variable Density Tunnel）的工作状态，气体在压力罐体中内外循环。该风洞一直沿用到40年代，直到在NACA被更大比例、更先进的风洞所取代

可变密度风洞的截面示意图，详细展示了空气在风洞中如何被风扇驱动进行内外循环。1927年的一次火灾烧毁了风洞木制的原始内部结构（上图上方标为“旧”的截面），在修复中改建为上图下方所示的结构

而蒙克的离职也被视为NACA的管理者从科学家转向工程师的重要标志。从那一刻起，NACA的主要研究内容开始转向往往需要和制造商直接协作的更实际的工程问题。对实用技术而非理论科学的偏好创造了很多成就，但一方面也成了盟国在真正的航空科学上逐渐落后于德国的部分原因，而这一点直到二战结束后才被发觉。

不过尽管如此，真正的科学研究并没有在NACA彻底消失，美国人也有超过德国人的时候。在30年代后期，NACA的空气动力学家埃斯特曼·雅各布斯开发出了一套能够以一个目标的性能特性出发设定翼型的系统，这套系统的第一个成功案例就是P-51“野马”上的“层流翼型”。（雅各布斯在Munk离开之后接管了VDT风洞，并在此期间改进风洞显著降低了其测试流场的湍流度，故而能够更好的精确测试翼型的真实性能和边界层对翼型的影响，实际上，他的第一个主要贡献应当算是在今天仍被极为广泛使用的NACA四位数翼型。）

琳琅满目的NACA四位数翼型系列，不过最终被证明性能优异并沿用至今的实际上只占一小部分

理论上说，如果能够让流经机翼表面的气流一直保持层流性质，避免所有哪怕是最小幅度的湍流，就能直接让机翼受到的阻力几乎减半。不过就像椭圆形机翼遇到的问题一样，在现实中因为实际制造出来的机翼表面完全无法实现保持层流需要的外形光洁度，层流翼并无法完全展现出它理论上的性能优势，而到底是所谓的“梅里迪斯效应”散热器还是层流翼型造就了“野马”的高速，这在参与“野马” 设计工作的人之间也留下了无尽的争议：这还关乎到每个人的个人荣誉。不过可能这个问题暂时还不会有什么答案，在一切尘埃落定之前，他们都已经去世了。

NASA使用F-16XL进行超音速层流控制实验。“野马”的层流翼只是一个开端，随着飞机速度区间的继续扩展和对性能的进一步追求，主动或自然的层流边界层控制技术直到今天依然是一个重要的研发方向

现代亚音速飞机的机翼的基本构型——包括所有二战年代飞机的——在航空史相当早的时期其实就已经出现了。1918年的福克D.VIII的木制机翼就已经具备了合适的渐缩，展弦比为6，相对较厚的翼型截面，镶嵌在主翼中的副翼，以及不再需要张线支撑的悬臂式结构。尽管它离莱特兄弟的时间比它离二战的时间还要近些，但把它的机翼放在40年代的活塞战斗机上，看上去也不会有什么违和感。

1918年的福克D.VIII光滑、渐缩的厚机翼即使和40年代的战斗机相比也并不显得过时

尽管如此，福克风格的机翼和单翼机布局即使在一战后也未能得到制造商和各国军方的接纳，大部分人的保守主义和单纯的胆怯带来的压力在这一过程中暴露无遗：判别哪些是好主意而哪些是坏主意实在太过困难，制造商们也只能不断的在尝试中倒退回早已经过实用考验的陈规之中。

在德·哈维兰DH.98（“蚊”式）上并没有出现“喷火”那样的椭圆形机翼，取而代之的是渐缩而且翼尖非常窄的平直机翼，而它的椭圆形垂尾则是一种标志性的德·哈维兰设计

在现实的飞机设计中，每样东西都会产生相互影响，这些复杂关系使得精确的测试和记录非常困难，一些很小的非实质性的修改带来的变化往往难以计量。有时两项看起来各自都有好处的改造会相互抵消效果。设计工作者之间天然的善意和他们在业界内的人事流动会自然的将具体的工程信息扩散交流到各处；与此同时，某个设计在概念上的真正微妙之处却会随着人的生老病死和制度的健忘而消失。谣言、被理解错误的设想、过度的乐观在航空的发展过程中起到的作用并不比真正的科学技术少。

飞机形态和布局的多样性发展本身就是一堂课。我们最好以类似达尔文演化论的眼光来审视整个航空史，即使是成功的设计也需要在一个不断摇摆回溯、出发点经常错误的过程中最终逐渐取代那些不够成功的设计，而不像追寻一个确定的科学目标那样系统性的直线发展。从这个角度看，有趣的并不是某架亨克尔的飞机是不是真的影响了超马林的另一架飞机，而是为什么椭圆形机翼设计看起来如此的美好，最终却几乎没有多少飞机使用了这种设计。

不幸的是，大部分飞机设计师并不会就他们为什么做出某项设计决定、哪些设计让他们后悔、哪些设计又让他们自豪这些事情上留下非常详细的记录，即使是在同一架飞机上工作过的人也可能还会就飞机的某项特点说出各自之间相互冲突的设计理由；这导致我们实际上经常只好完全靠猜测来解释机翼或整机为什么要被设计成某种模样。

每一架飞机都是理论和现实碰撞的结果。结构材料的顽固特性永远站在理想设计的对立面；有效载荷和载员的需求；起落架的性能需求和需要占有的位置空间；混乱而又难以对付的推进系统需求，包括但不限于离地距离、冷却性能、可维护性等等的要求。如何将实验室中完美的理想形状和现实中的载荷与战斗需求相结合是制造商们需要面对的重大挑战，而一位伟大的飞机设计师的标志也总是拥有将一系列可能相互冲突的元素融合成一个成功的整体的能力，而非只是将某项特性提高到极致的能力。一个谜题永远都不会只有一种解答；不然的话，完美的飞机最终将永远只会有一架。