衝上雲霄：戰機機翼演變史
■侯融 孟慶昌 楊笑晗
第十五屆中國航展上，我軍新亮相的殲-35A戰機低空通場，殲-20戰機表演高難度動作。各種戰機呼嘯而過，展示着速度與力量。
其中，受邀參加此次航展的俄羅斯飛行員謝爾蓋·博格丹駕駛蘇-57戰機，展示了“落葉飄”“鐘擺機動”等高難度飛行動作，令人歎爲觀止。那麼，戰機是如何做出這些戰術動作的呢？
這與戰機機翼的設計息息相關。人類追求翱翔藍天的夢想始終未變，從萊特兄弟發明第一架飛機到現在，飛機機翼的設計不斷髮展演化。其中尤以戰機機翼的變化更爲多變複雜，僅機翼的形狀，就先後出現了平直翼、後掠翼、三角翼等。
梳理戰機機翼的發展史可以發現，機翼的設計思路始終服務於飛機整體性能和作戰用途，與當代飛行器技術發展水平息息相關。本期“軍工T型臺”，讓我們一起關注戰機機翼“更高”“更快”“更強”的發展之路。
更高——
提高升力實現飛天夢想
作爲託舉飛機翱翔藍天的關鍵部位之一，機翼的作用，最直接地體現在讓飛機有效地克服重力上。
1903年，萊特兄弟給滑翔機裝上發動機，製造出世界上第一架飛機——“飛行者一號”。在萊特兄弟給飛行器加裝動力之前，人類實現飛天夢想的努力，一直在圍繞“翅膀”做文章。
達·芬奇就曾設計過一種撲翼機，他設想人趴在撲翼機上面，用手腳帶動一對翅膀飛起來。古代的中國人、希臘人、巴比倫人和印度人也做過類似的嘗試。但受限於材料、工藝等，這類形似的模仿，並未從真正意義上讓人類實現飛天夢想。
直到“空氣動力學之父”喬治·凱利通過不斷研究和試驗，首次將機翼剖面設計成“上凸下平”的不規則水滴狀，才把飛行從冒險的嘗試引導向科學的探索，人類對機翼“升力”的探究有了突飛猛進的發展，滑翔機的實用性大幅提高。
喬治·凱利的這種設計，讓機翼上下表面空氣流速產生顯著差異，當飛機前進時，機翼上方的空氣流速較快，形成低壓區；而機翼下方的空氣流速較慢，形成高壓區。這種壓力差，是飛行力學中機翼產生升力的關鍵所在。
由此開始，一直到現代飛機發明初期，機翼的設計都圍繞如何提高升力來展開。這些早期的翼型大多是平直翼，即機翼前後緣和機身垂直，機翼從裏到外一樣寬。這種類型的機翼結構簡單，容易製造。但受限於材料和工藝技術，使用平直翼的早期飛機，安全性和穩定性並不能得到很好的保證。
爲了加強穩定性，早期飛機機翼佈局曾向雙翼、三翼拓展，但多翼設計的缺點非常明顯，比如結構複雜、製造難度大，飛行阻力大、速度難提高等。直到出現鋁合金航空材料，單翼機安全性和穩定性纔有所改善，開始逐漸取代了多翼機，但平直翼的主流地位始終沒有改變。
變化，率先在戰鬥機領域發生。隨着動力系統不斷迭代，空戰對戰機飛行速度的要求不斷提高，平直翼的缺點越來越突顯：雖然提供的升力很大，但同時也帶來了非常大的阻力，飛行速度受到嚴重限制，亟需新的翼型設計來推動戰機的發展。
更快——
與激波角力，突破音障直至數倍於聲速
空氣動力學研究表明，飛機在飛行時，會對前方的空氣產生壓力。低於聲速飛行時，前方空氣在壓力波的推動下，會有序流向兩側，讓開飛機。然而當飛機越來越接近聲速的時候，這些壓力波就會擠到一起，讓機翼表面的局部氣流超過聲速，出現激波。此時，飛機被激波干擾，飛行阻力劇增，速度難以提升。人們曾以爲聲速是飛機速度不可逾越的障礙，將這種現象取名爲音障。
想要突破音障，飛機氣動外形是繞不過去的坎，許多科學家把解決方案“壓寶”在機翼的優化上。正是由此帶來的各種想法不斷碰撞，讓現代飛機開始蛻去平直翼的雛形，迎來了一個奇思妙想迭出、接續挑戰音障的快速發展時代。
較早做出改變的是德國空氣動力學家阿道夫·布茲曼，他提出的後掠翼設計，可以把垂直於飛機飛行方向的氣流分解變小，推遲激波阻力的產生。這項成果率先應用於德國ME-262戰機，戰機性能得到顯著提高。
有的科學家選擇了梯形翼設計，這種翼型結合了平直翼和後掠翼的優點，以適用於不同的飛行需求。梯形翼具有較好的升力特性，在低速飛行時，能夠提供足夠的升力，改善飛機的起降性能。在超聲速飛行時，梯形翼短粗的機翼形狀，有效減少了激波阻力。其典型代表是蘇聯的米格-21戰機，該型飛機具有較高的操縱性和機動性。在越南戰爭期間，米格-21與美國F-4“鬼怪”戰機多次交鋒，其利用優秀的機動性，採用快速接近、近距離格鬥的戰術，取得了不錯的戰果。但由於梯形翼上的氣動分佈不均勻，翼根處承受的彎矩較大，所以需要更強的結構來支撐，降低了燃油效率。
美國科學家則試圖通過三角翼來克服後掠翼升力不足的問題。他們設計的三角翼戰機F-102，在大迎角飛行時能保持較好的升力係數，還可以把戰鬥機的所有部位收進機頭產生的激波之內，從而有效克服音障。這一翼型同時兼顧了一定的亞聲速機動性，有較好的操縱性，能夠應對複雜的空戰環境。例如，蘇-15戰機能在空戰中靈活地做出滾轉、爬升、俯衝等各種機動動作。但三角翼的缺點也比較明顯，起飛和降落時的低速性能較差，在起飛或降落時，飛機需要較高的速度，才能獲得足夠升力。這導致其飛行時需要較長的跑道，對飛行員的技術要求比較高。
還有一種創新的機翼佈局形式是前掠翼。該設計於1942年被提出，旨在改善戰機跨聲速和超聲速飛行時的機動性能，尤其是大迎角飛行時的穩定性和操控性。相對於傳統的機翼佈局，前掠翼可以更有效地利用材料，減輕結構重量，合理分配機翼和前起落架所承受的壓力，提高戰機的載彈量。20世紀90年代末開始試飛的蘇-47戰機，就是一架典型的前掠翼戰機。它配合先進的飛控系統和發動機，展現了出色的低空高速機動性。但前掠翼高速飛行時，機翼的彎曲變形會使外翼迎角增大，造成機翼彎曲變形加劇，以至於機翼會因爲扭轉剛度不夠而折斷，對材料以及加工工藝提出更高的要求。
歷經百餘年發展，如今很多戰鬥機的速度早已突破了音障甚至數倍於聲速，飛機形狀及其機翼的演進變化，在這其中扮演着重要的角色、發揮着重要的作用。
更強——
注重綜合性能優化，讓機翼功能更加複合
平直翼和後掠翼的優勢不同，爲什麼不設計一個可以隨時變換的機翼呢？
隨着這種設想的出現，20世紀60年代，美國研製出第一種實用變後掠翼戰機F-111A超聲速戰鬥轟炸機。變後掠翼的設計可以兼顧高、低速性能：在起飛、着陸和低速飛行時，減小後掠角，使機翼前緣升力增加，提高飛機的升力係數，縮短“起—落—滑—跑”的距離；在高亞聲速和超聲速飛行時，增大後掠角，減小飛行阻力，提升飛機的加速性能。這樣一來，就能有效解決飛機高、低速矛盾，使飛機在較寬的速度範圍內保持良好的氣動性能，適應不同的飛行任務。
變後掠翼也存在一些缺點，其機翼轉動機構複雜，增加了機身重量，且活動外翼的載荷集中在樞軸上，對樞軸的強度和可靠性要求高，還需要一套強有力的驅動裝置和協調機構，導致維護難度大、成本高，故障率增加，維修成本變高。
但不可否認的是，這種融匯多種功能優勢的複雜翼型設計，代表着當前機翼發展的主流方向。世界各國目前服役的主要戰機，也多采用類似的多結構複雜機翼。
美國“猛禽”F-22戰機，機翼爲大後掠角梯形翼，飛機在超聲速飛行時阻力小，激波強度弱，能實現1.8馬赫左右的超聲速巡航。其雙垂尾佈局提高了飛機的縱向穩定性和操縱性，減小雷達反射截面積，提高了隱身性能。
我國“威龍”殲-20戰機採用單座雙發、鴨式佈局，機翼爲大後掠角三角翼帶小前翼，即鴨翼。鴨翼佈局使飛機在大迎角狀態下，鴨翼和主翼能同時產生渦升力，提高飛機的升力係數和機動性，在近距空戰中具有較大優勢。
俄羅斯蘇-57戰機採用單座雙發、中央升力體加大三角翼佈局，增加可動邊條翼。大三角翼在超聲速飛行時具有較小的阻力和較好的結構強度，可動邊條翼在大迎角狀態下能產生渦升力，提高飛機的機動升阻比，增強飛機的機動性。
這些戰機的機翼外形，有着各不相同的設計思路，但其提升機動能力、隱身能力等作戰性能的“總目標”沒有改變。
在可預見的將來，隨着航空技術的不斷髮展，現代戰機的機翼設計必然更加註重綜合性能的優化：既可以採用更加複雜的翼型設計來優化飛行性能，也可以採用翼身融合技術來減小阻力、提升隱身性能，還能使用先進的複合材料來減輕機翼重量、提高機翼強度……這些技術的應用，都會牽引現代戰機的機翼設計，朝着更加靈活機動、增加隱身性能、提高武器掛載能力等方向縱深發展。
