冲上云霄：战机机翼演变史
■侯融 孟庆昌 杨笑晗
11月16日，在第十五届中国航展上，歼-35A战机进行飞行展示。新华社 发
第十五届中国航展上，我军新亮相的歼-35A战机低空通场，歼-20战机表演高难度动作。各种战机呼啸而过，展示着速度与力量。
其中，受邀参加此次航展的俄罗斯飞行员谢尔盖·博格丹驾驶苏-57战机，展示了“落叶飘”“钟摆机动”等高难度飞行动作，令人叹为观止。那么，战机是如何做出这些战术动作的呢？
这与战机机翼的设计息息相关。人类追求翱翔蓝天的梦想始终未变，从莱特兄弟发明第一架飞机到现在，飞机机翼的设计不断发展演化。其中尤以战机机翼的变化更为多变复杂，仅机翼的形状，就先后出现了平直翼、后掠翼、三角翼等。
梳理战机机翼的发展史可以发现，机翼的设计思路始终服务于飞机整体性能和作战用途，与当代飞行器技术发展水平息息相关。本期“军工T型台”，让我们一起关注战机机翼“更高”“更快”“更强”的发展之路。
更高——
提高升力实现飞天梦想
作为托举飞机翱翔蓝天的关键部位之一，机翼的作用，最直接地体现在让飞机有效地克服重力上。
1903年，莱特兄弟给滑翔机装上发动机，制造出世界上第一架飞机——“飞行者一号”。在莱特兄弟给飞行器加装动力之前，人类实现飞天梦想的努力，一直在围绕“翅膀”做文章。
达·芬奇就曾设计过一种扑翼机，他设想人趴在扑翼机上面，用手脚带动一对翅膀飞起来。古代的中国人、希腊人、巴比伦人和印度人也做过类似的尝试。但受限于材料、工艺等，这类形似的模仿，并未从真正意义上让人类实现飞天梦想。
直到“空气动力学之父”乔治·凯利通过不断研究和试验，首次将机翼剖面设计成“上凸下平”的不规则水滴状，才把飞行从冒险的尝试引导向科学的探索，人类对机翼“升力”的探究有了突飞猛进的发展，滑翔机的实用性大幅提高。
乔治·凯利的这种设计，让机翼上下表面空气流速产生显著差异，当飞机前进时，机翼上方的空气流速较快，形成低压区；而机翼下方的空气流速较慢，形成高压区。这种压力差，是飞行力学中机翼产生升力的关键所在。
由此开始，一直到现代飞机发明初期，机翼的设计都围绕如何提高升力来展开。这些早期的翼型大多是平直翼，即机翼前后缘和机身垂直，机翼从里到外一样宽。这种类型的机翼结构简单，容易制造。但受限于材料和工艺技术，使用平直翼的早期飞机，安全性和稳定性并不能得到很好的保证。
为了加强稳定性，早期飞机机翼布局曾向双翼、三翼拓展，但多翼设计的缺点非常明显，比如结构复杂、制造难度大，飞行阻力大、速度难提高等。直到出现铝合金航空材料，单翼机安全性和稳定性才有所改善，开始逐渐取代了多翼机，但平直翼的主流地位始终没有改变。
变化，率先在战斗机领域发生。随着动力系统不断迭代，空战对战机飞行速度的要求不断提高，平直翼的缺点越来越突显：虽然提供的升力很大，但同时也带来了非常大的阻力，飞行速度受到严重限制，亟需新的翼型设计来推动战机的发展。
更快——
与激波角力，突破音障直至数倍于声速
空气动力学研究表明，飞机在飞行时，会对前方的空气产生压力。低于声速飞行时，前方空气在压力波的推动下，会有序流向两侧，让开飞机。然而当飞机越来越接近声速的时候，这些压力波就会挤到一起，让机翼表面的局部气流超过声速，出现激波。此时，飞机被激波干扰，飞行阻力剧增，速度难以提升。人们曾以为声速是飞机速度不可逾越的障碍，将这种现象取名为音障。
想要突破音障，飞机气动外形是绕不过去的坎，许多科学家把解决方案“压宝”在机翼的优化上。正是由此带来的各种想法不断碰撞，让现代飞机开始蜕去平直翼的雏形，迎来了一个奇思妙想迭出、接续挑战音障的快速发展时代。
较早做出改变的是德国空气动力学家阿道夫·布兹曼，他提出的后掠翼设计，可以把垂直于飞机飞行方向的气流分解变小，推迟激波阻力的产生。这项成果率先应用于德国ME-262战机，战机性能得到显著提高。
有的科学家选择了梯形翼设计，这种翼型结合了平直翼和后掠翼的优点，以适用于不同的飞行需求。梯形翼具有较好的升力特性，在低速飞行时，能够提供足够的升力，改善飞机的起降性能。在超声速飞行时，梯形翼短粗的机翼形状，有效减少了激波阻力。其典型代表是苏联的米格-21战机，该型飞机具有较高的操纵性和机动性。在越南战争期间，米格-21与美国F-4“鬼怪”战机多次交锋，其利用优秀的机动性，采用快速接近、近距离格斗的战术，取得了不错的战果。但由于梯形翼上的气动分布不均匀，翼根处承受的弯矩较大，所以需要更强的结构来支撑，降低了燃油效率。
美国科学家则试图通过三角翼来克服后掠翼升力不足的问题。他们设计的三角翼战机F-102，在大迎角飞行时能保持较好的升力系数，还可以把战斗机的所有部位收进机头产生的激波之内，从而有效克服音障。这一翼型同时兼顾了一定的亚声速机动性，有较好的操纵性，能够应对复杂的空战环境。例如，苏-15战机能在空战中灵活地做出滚转、爬升、俯冲等各种机动动作。但三角翼的缺点也比较明显，起飞和降落时的低速性能较差，在起飞或降落时，飞机需要较高的速度，才能获得足够升力。这导致其飞行时需要较长的跑道，对飞行员的技术要求比较高。
还有一种创新的机翼布局形式是前掠翼。该设计于1942年被提出，旨在改善战机跨声速和超声速飞行时的机动性能，尤其是大迎角飞行时的稳定性和操控性。相对于传统的机翼布局，前掠翼可以更有效地利用材料，减轻结构重量，合理分配机翼和前起落架所承受的压力，提高战机的载弹量。20世纪90年代末开始试飞的苏-47战机，就是一架典型的前掠翼战机。它配合先进的飞控系统和发动机，展现了出色的低空高速机动性。但前掠翼高速飞行时，机翼的弯曲变形会使外翼迎角增大，造成机翼弯曲变形加剧，以至于机翼会因为扭转刚度不够而折断，对材料以及加工工艺提出更高的要求。
历经百余年发展，如今很多战斗机的速度早已突破了音障甚至数倍于声速，飞机形状及其机翼的演进变化，在这其中扮演着重要的角色、发挥着重要的作用。
更强——
注重综合性能优化，让机翼功能更加复合
平直翼和后掠翼的优势不同，为什么不设计一个可以随时变换的机翼呢？
随着这种设想的出现，20世纪60年代，美国研制出第一种实用变后掠翼战机F-111A超声速战斗轰炸机。变后掠翼的设计可以兼顾高、低速性能：在起飞、着陆和低速飞行时，减小后掠角，使机翼前缘升力增加，提高飞机的升力系数，缩短“起—落—滑—跑”的距离；在高亚声速和超声速飞行时，增大后掠角，减小飞行阻力，提升飞机的加速性能。这样一来，就能有效解决飞机高、低速矛盾，使飞机在较宽的速度范围内保持良好的气动性能，适应不同的飞行任务。
变后掠翼也存在一些缺点，其机翼转动机构复杂，增加了机身重量，且活动外翼的载荷集中在枢轴上，对枢轴的强度和可靠性要求高，还需要一套强有力的驱动装置和协调机构，导致维护难度大、成本高，故障率增加，维修成本变高。
但不可否认的是，这种融汇多种功能优势的复杂翼型设计，代表着当前机翼发展的主流方向。世界各国目前服役的主要战机，也多采用类似的多结构复杂机翼。
美国“猛禽”F-22战机，机翼为大后掠角梯形翼，飞机在超声速飞行时阻力小，激波强度弱，能实现1.8马赫左右的超声速巡航。其双垂尾布局提高了飞机的纵向稳定性和操纵性，减小雷达反射截面积，提高了隐身性能。
我国“威龙”歼-20战机采用单座双发、鸭式布局，机翼为大后掠角三角翼带小前翼，即鸭翼。鸭翼布局使飞机在大迎角状态下，鸭翼和主翼能同时产生涡升力，提高飞机的升力系数和机动性，在近距空战中具有较大优势。
俄罗斯苏-57战机采用单座双发、中央升力体加大三角翼布局，增加可动边条翼。大三角翼在超声速飞行时具有较小的阻力和较好的结构强度，可动边条翼在大迎角状态下能产生涡升力，提高飞机的机动升阻比，增强飞机的机动性。
这些战机的机翼外形，有着各不相同的设计思路，但其提升机动能力、隐身能力等作战性能的“总目标”没有改变。
在可预见的将来，随着航空技术的不断发展，现代战机的机翼设计必然更加注重综合性能的优化：既可以采用更加复杂的翼型设计来优化飞行性能，也可以采用翼身融合技术来减小阻力、提升隐身性能，还能使用先进的复合材料来减轻机翼重量、提高机翼强度……这些技术的应用，都会牵引现代战机的机翼设计，朝着更加灵活机动、增加隐身性能、提高武器挂载能力等方向纵深发展。
