馬慶恒

飛機(jī)能上天，這是機(jī)翼產(chǎn)生升力的結(jié)果。但是飛機(jī)上天后，機(jī)翼也產(chǎn)生阻力，影響飛機(jī)前進(jìn)，所以機(jī)翼的形狀、大小關(guān)系到飛機(jī)的速度。隨著氣動(dòng)理論的完善、制造工藝的提高以及新材料的不斷應(yīng)用，機(jī)翼的性能經(jīng)過多次改進(jìn)，已今非昔比。

早期的飛機(jī)機(jī)翼都是平直的。最初是矩形機(jī)翼，很容易制作。但由于其翼端寬，會(huì)給飛機(jī)帶來阻力，嚴(yán)重地影響了飛機(jī)的飛行速度。為此，人們曾設(shè)計(jì)了一種橢圓形機(jī)翼。這種新機(jī)翼的翼端雖然窄了，但其制作工藝卻十分復(fù)雜，很難制作。后來，人們又設(shè)計(jì)出了梯形機(jī)翼。梯形機(jī)翼兼具矩形和橢圓形機(jī)翼之長，制作也比較方便，盡管仍有一個(gè)小小的翼尖，但阻力還不算大。因此，20世紀(jì)30年代至40年代末，梯形平直機(jī)翼幾乎一統(tǒng)天下。二戰(zhàn)中出名的飛機(jī)如美國的P－51、蘇聯(lián)的杜－2、日本的“零”式戰(zhàn)斗機(jī)等都是梯形平直機(jī)翼。

1945年，英國研制了兩架飛機(jī)，安裝了當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，飛機(jī)平飛的最大速度達(dá)到974千米/小時(shí)。若從12000米高度俯沖到9000米高度時(shí)，速度甚至達(dá)到1120千米/小時(shí)，接近音速。但機(jī)翼上出現(xiàn)了“激波”：使機(jī)翼表面的空氣壓力發(fā)生變化，空氣作用力的總作用點(diǎn)后移，飛機(jī)會(huì)自動(dòng)俯沖。當(dāng)時(shí)飛機(jī)的操縱系統(tǒng)和舵面的大小等，都沒有考慮這種隋況，所以不可能把俯沖狀態(tài)中的飛機(jī)拉起來平飛。大角度的俯沖，使飛機(jī)增速更快，最后，超出它本身能承受的強(qiáng)度，所以飛機(jī)就散架解體了。

機(jī)翼上產(chǎn)生激波后，飛機(jī)的阻力會(huì)急劇增加，比低空飛行大十倍甚至幾十倍，所以即使使用噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，也很難使飛機(jī)超音速。當(dāng)時(shí)把這種困難叫做“音障”。德國人發(fā)現(xiàn)，把飛機(jī)的機(jī)翼做成后掠的形式，像燕子的翅膀，可以延遲“激波”的產(chǎn)生，減少阻力，也可以緩和飛機(jī)接近音速時(shí)自動(dòng)俯沖的不穩(wěn)定現(xiàn)象。1948年，美國在F－86戰(zhàn)斗機(jī)上應(yīng)用后掠機(jī)翼。原蘇聯(lián)在上個(gè)世紀(jì)40年代末期，也研制出帶后掠機(jī)翼的噴氣式殲擊機(jī)“米格”－15。進(jìn)入20世紀(jì)50年代，世界上超音速飛機(jī)的翅膀幾乎全都是后掠機(jī)翼的。

20世紀(jì)五六十年代，人們設(shè)計(jì)飛機(jī)的指導(dǎo)思想是越高越快就越好。為了達(dá)此目的，機(jī)翼的后掠角越來越大。而為了保證飛機(jī)的安全，又要加重鋼梁，加厚蒙皮。但飛機(jī)重量增加了，又直接影響飛機(jī)的速度和高度。怎么辦?人們把后掠機(jī)翼的前緣和平直機(jī)翼的后緣結(jié)合起來，設(shè)計(jì)制作出了三角機(jī)翼。從俯視角度看，三角機(jī)翼飛機(jī)的兩只機(jī)翼連接起來是一個(gè)等腰三角形，剛度明顯增強(qiáng)。1963年8月試飛的美國、SR－71飛機(jī)就是三角機(jī)翼，其大部分用鈦合金制成，最大飛行速度相當(dāng)于音速的3.5倍，飛行高度可達(dá)2.4萬米。法國“幻影”系列飛機(jī)也采用了三角機(jī)翼。20世紀(jì)60年代三角機(jī)翼又風(fēng)靡一時(shí)。

飛機(jī)機(jī)翼采取向后掠的形式后，又出現(xiàn)了新問題，它比不向后斜的普通機(jī)翼在同樣條件下產(chǎn)生的升力小。飛機(jī)起飛時(shí)，要滑跑到很大速度，才能使升力等于重量，然后飛機(jī)才能離去，跑道要很長，著陸的情況也一樣。因此，現(xiàn)代殲擊機(jī)起飛跑道多在1000米以上，重型轟炸機(jī)起飛跑道大于2000米。所以現(xiàn)代大型機(jī)場跑道的長度都要超過3000米，戰(zhàn)時(shí)很容易被敵人破壞。在空中巡航時(shí)，后掠翼飛機(jī)比普通機(jī)翼飛機(jī)耗費(fèi)油料多，航程也會(huì)受影響。

于是，有人研究出一個(gè)方案，就是使機(jī)翼能改變后掠角。起飛、著陸和巡航時(shí)，機(jī)翼在平直位置；要飛大速度時(shí)，機(jī)翼向后斜。要想讓一架普通飛機(jī)改變它的機(jī)翼后掠角，首先要解決飛機(jī)的平衡問題。原來機(jī)翼在平直位置平衡好的飛機(jī)，當(dāng)機(jī)翼向后轉(zhuǎn)、加大后掠角時(shí)，升力作用點(diǎn)向后移，飛機(jī)會(huì)低頭俯沖，不能飛行。經(jīng)過多次試驗(yàn)，1964年，世界上第一架變后掠翼飛機(jī)F－111終于研制成功。這種飛機(jī)在起飛、著陸和低速飛行時(shí)，其兩翼盡量伸直，后掠角只有16度，從而具備了平直機(jī)翼升力大的特點(diǎn)；而在高速飛行時(shí)，它的兩翼又盡量后掠，后掠角可達(dá)72.5度，變得像三角機(jī)翼一樣，因此能夠輕易突破“音障”。其后蘇聯(lián)也相繼推出了變后掠翼飛機(jī)“米格”一23、蘇－20和蘇－24等。

要改變機(jī)翼的后掠角，其實(shí)是很難的。機(jī)翼前后轉(zhuǎn)動(dòng)，要用很大的軸承和堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)，這樣，變后掠翼飛機(jī)的重量要增大。不過，隨著氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)邊條機(jī)翼可以為其后方的基本機(jī)翼提供升力。所謂邊條機(jī)翼就是在基本機(jī)翼根部前緣加裝一條后掠角大于70度的邊條。邊條機(jī)翼既具有變后掠翼高低速兼優(yōu)的性能，又具有重量輕、構(gòu)造簡單的特點(diǎn)。難怪今天許多新式飛機(jī)都采用了邊條機(jī)翼。邊條機(jī)翼的應(yīng)用使許多重型戰(zhàn)斗機(jī)的起飛、著陸性能大幅度提高。如蘇，27的起飛滑跑距離僅400米，著陸滑跑距離也只有550米，對機(jī)場的依賴明顯減小，甚至可以在土跑道上起降。1974年2月試飛的F－16也采用了邊條機(jī)翼。

在發(fā)現(xiàn)邊條機(jī)翼優(yōu)越性的同時(shí)，人們也認(rèn)識(shí)到了翼身融合的優(yōu)點(diǎn)。機(jī)翼和機(jī)身融合為一體，可大幅度地降低阻力，提高整機(jī)的升力，減輕結(jié)構(gòu)重量。飛機(jī)還可由此得到更大的機(jī)內(nèi)空間，使其載油量增加，從而具有更長的航時(shí)和航程。1989年7月首飛的美國B－2戰(zhàn)斗機(jī)一經(jīng)亮相便以其獨(dú)特的外形引起了世人的注意。它在海灣戰(zhàn)爭和科索沃戰(zhàn)爭中戰(zhàn)績不凡，備受軍界的青睞。

在機(jī)翼形狀的演變過程中，有的機(jī)翼類型被淘汰了，如變后掠機(jī)翼因結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量增大，20世紀(jì)90年代新研制的飛機(jī)幾乎都不采用這種機(jī)翼了；更多的機(jī)翼種類則互相融合、取長補(bǔ)短，變幻出不同的形式。100多年來，飛機(jī)翅膀的變化展現(xiàn)了人類無盡的創(chuàng)造力。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，不久的將來，一定還會(huì)出現(xiàn)許多現(xiàn)在還無法想像的新式飛機(jī)和新形機(jī)翼。