出品：科普中国

作者：王丰逸（中国科学院力学研究所）

监制：中国科普博览

编者按：为揭开科技工作的神秘面纱，科普中国前沿科技项目推出“我和我的研究”系列文章，邀请科学家亲自执笔，分享科研历程，打造科学世界。让我们跟随站在科技最前沿的探索者们，开启一段段充满热情、挑战与惊喜的旅程。

在人类探索天空的征途中，机翼作为飞机的重要组成部分，扮演着举足轻重的角色。它不仅是飞机产生升力的核心部件，更是影响飞机外形的最直接因素。今天，让我们一起走进机翼的世界，探寻其背后的科学原理与奇妙设计。

机翼的奥秘：升力与阻力的平衡

机翼的奥秘，首先体现在它如何帮助飞机克服重力，翱翔于蓝天之上。在飞行力学中，机翼通过产生升力来支持飞机的重量。这一升力的产生，源于机翼上下表面空气流速的差异。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，便是机翼产生升力的关键所在。

机翼

（图片来源：veer图库）

然而，升力并非机翼的唯一功能。在追求升力的同时，机翼还必须面对阻力的挑战。阻力是飞机飞行时遇到的阻碍力，它会消耗飞机的动力，降低飞行效率。因此，在机翼的设计中，如何在升力与阻力之间找到平衡点，成为科研人员关注的焦点。

机翼形状对飞行性能有哪些影响？

机翼的形状对飞机的飞行性能有着至关重要的影响。

从纸飞机的例子中，我们可以窥见一二。小时候，我们或许都曾折过不同形状的纸飞机，有的机翼宽大，有的机翼细长。这些不同的形状，直接决定了纸飞机的飞行特点。

飞机设计中，决定机翼外形的最重要参数称为展弦比，即机翼垂直于飞行方向的展长和沿飞行方向弦长的比值。就是下图中a和b的比值。

原图为歼-35A战机在2024年珠海航展上进行飞行表演

（图片来源：北京日报）

展弦比较大的机翼表现为垂直于飞行方向特别长，让飞机看起来整体更加宽大；展弦比值较小的机翼则垂直于飞行方向的长度较小，而沿飞行方向长度稍大，和机身配合起来就会使飞机整体外形更加细长。

航空飞机的展弦比就比较大

（图片来源：veer图库）

大展弦比的机翼，典型的例子就是运20运输机。它所采用的设计，能够提供强大的升力，使飞机能够载重更大、飞得更远。这种设计特别适用于需要长航时、长航程、大载重的飞机，因为它们并不过于追求飞行速度，运载能力是首要考虑的因素。

2023年11月23日，执行接迎第十批在韩中国人民志愿军烈士遗骸回国任务的运-20飞机降落沈阳桃仙国际机场，机场以“过水门”航空最高礼仪迎接志愿军烈士回家。余红春 摄

（图片来源：中国军网）

2023年12月19日，西部战区应急指挥组搭乘运-20赶赴甘肃抗震救灾一线。刘芳 摄

（图片来源：中国军网）

而小展弦比机翼，则如歼-20、歼-35这类战斗机所展示的那样，能够减小阻力，提高飞行速度。这种设计对于追求高速飞行的战斗机来说，无疑是最优选择。

2018年11月11日，歼－20战机在第十二届中国航展亮相

（图片来源：新华网）

除了展弦比外，机翼的其他设计参数，如扭转角、上下反角和后掠角等，也会对飞行性能产生重要影响。例如，施加合适的扭转角能减小飞行时产生的诱导阻力；而增加上反角可以增加飞机飞行时的横向稳定性，让飞机飞行更加安全。

机翼材料千变万化，高压捕获翼成新亮点

随着科技的不断进步，机翼的材料与技术也在不断更新换代。早期的飞机机翼主要由木材、金属等材料制成，这些材料虽然坚固耐用，但重量较大，限制了飞机的飞行性能。如今，随着复合材料技术的飞速发展，机翼开始大量采用碳纤维、玻璃纤维等轻质高强度材料，这些材料不仅减轻了机翼的重量，还提高了其抗疲劳性和耐腐蚀性。

此外，随着计算流体力学、优化设计等先进技术的应用，机翼的设计也变得更加精确和高效。科研人员可以利用这些技术，对机翼的形状、结构等进行精细化设计，以达到最佳的飞行性能。

尽管机翼的设计已经取得了显著的进步，但科研人员对于机翼的探索与创新从未停止。他们正致力于开发更加高效、环保的机翼设计，以应对日益严峻的环境问题和能源挑战。

其中，高压捕获翼作为一种全新的高超声速飞行器布局形式，正在引起广泛关注。在传统高超声速飞行器气动外形布局形式中，升阻比和容积率存在强烈的矛盾关系，也就是说高超声速飞行器飞得远、飞得快的代价是装载能力的大幅损失，这样的特性让其在工程实现上充满了挑战。

针对这一严峻的问题，中国科学院力学研究所提出了高压捕获翼构型的全新布局方案，通过“捕获”机体上壁面压缩来流形成的高压区来得到可观的升力补偿，根据空气动力学原理，机体的容积增加，压缩形成的高压区强度增加，得到的升力补偿进一步增加，巧妙地缓解了容积率和升阻比的矛盾关系。

经过数年的努力，这一构型研究取得了较大的发展。2018年，力学所在SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy上发表封面论文“Hypersonic I-shaped aerodynamic configurations”，引起国内外研究者的广泛关注；2020年，力学所针对该构型开展了马赫数6状态下的风洞试验，结果表明该构型相比于某国外设计的主流高性能乘波体构型，最大升阻比及其对应的升力系数分别提升了5%和86%，且容积率提升了约10%，有力地证明了这一构型在气动性能上的潜力。

2021年，力学所针对高压捕获翼构型进行了“驭风一号”飞行试验，首次得到了该构型的真实飞行数据，为更深入的优化设计研究提供了支撑。

这种设计通过巧妙利用机翼的形状和结构，在承受大容积带来的飞行阻力的同时，显著提高了飞行升力，从而缓解了传统设计中容积和升阻比的矛盾关系。这一创新不仅提高了飞行器的总体飞行性能，还为未来的航空航天事业开辟了更加广阔的发展空间。

高压捕获翼构型示意图

（图片来源：航空学报）

除了高压捕获翼外，科研人员还在探索其他多种新型机翼设计，如可变形机翼、智能机翼等。这些设计通过改变机翼的形状、结构或功能，以适应不同的飞行环境和任务需求，为飞机的未来发展提供了更多的可能性。

结语

机翼不仅是飞机的核心部件，更是人类探索天空的智慧结晶。从最初的木质机翼到如今的复合材料机翼，从简单的形状设计到复杂的结构优化，机翼的发展历程见证了人类对于飞行梦想的执着追求和不懈努力。

在未来的日子里，随着科技的不断进步和创新的不断涌现，机翼的设计将会更加高效、环保和智能化。它将继续引领着人类跨越天空，探索未知的世界，书写着属于人类的飞行传奇。