飞机的翅膀为什么这样设计？

雄鹰展翅，伴着凛冽的山风，一次次抒发对白云的向往；麻雀抖羽，把低矮的屋檐营造成温馨的天堂。是翅膀让雄鹰和麻雀脱离地球引力，成为三维空间的动物。鹰翔雀飞，虽未在空中留下痕迹，却让人们产生了对翅膀的向往。飞机的机翼就是人类为自己打造的一双翅膀。依靠这双翅膀，人类实现了飞行梦想。

机翼是飞机上最重要的空气动力部件，是飞机升力的主要来源，它不仅把飞机托举到白云之上，其构型与材质在很大程度上决定着飞机各项性能。自从1903年莱特兄弟在基蒂霍克寒冷的海风里，驾驶着“飞行者1号”实现了艰难一跃，在此后一百多年间，飞机的机翼从材料选用到布局形式都发生了掀天揭地的变化。 

最早的飞机是“木头飞机”，当然机翼也是木质机翼。飞机诞生初期，飞机飞行速度低、载重小，机翼承受的载荷不高，机翼采用木质材料完全能满足使用要求，因此在20世纪20年代之前，木质结构一直是飞机机翼的主流。

这一时期的机翼蒙皮常采用涂过清漆的亚麻布，翼肋等骨架结构常用云杉木制作。早期飞机大多采用双机翼。由于飞机动力不够强劲、飞行速度慢，为了获得更大的升力，只能采用增加机翼面积的方式，从而产生了双机翼飞机甚至三机翼飞机。莱特兄弟的“飞行者一号”，就是一架典型的双翼飞机。

一战期间最富盛名的王牌飞行员李希特霍芬，曾创下了击落80架敌机的惊人纪录，他驾驶的红色的“福克Dr-1”三翼机也成为那个时代的传奇。

随着科技进步，飞机性能不断提高，飞行速度越来越快，载重越来越大，木质材料的强度不高、易燃易腐的先天不足就显现了出来。谁能取而代之？杜拉铝应运而生。于是，木质机翼退出了历史的舞台被金属机翼所取代，航空史开始进入“金属飞机”时代。机翼结构材料先后有铝合金、结构钢、钛合金等，而蒙皮则由亚麻布换成了铝。

由于发动机性能不断提高，飞机飞行速度直线提升，双机翼、三机翼以及其繁复的支柱、张线，成为阻碍飞机提速的障碍，于是，人们摒弃了双机翼和三机翼，而专注于单机翼。从20世纪30年代起，双翼机逐渐被单翼机所取代。

再后来，随着飞机速度的不断提高特别是超声速飞行的实现，机翼形状必须发生适应性演变，相较于早期的平直翼机翼，出现了后掠机翼、三角机翼、梯形机翼、变后掠机翼、前掠机翼等。机翼的功能也得到了极大丰富，战斗机或轰炸机在机翼下布置多种外挂，如副油箱、导弹、炸弹、任务吊舱；机翼内部空间常用来储存燃油、收藏起落架。特别是民航客机，为了保证旅客安全，全部将燃油储存在机翼内，这也催生出了机翼整体结构油箱。

到了20世纪70年代，复合材料开始在飞机上得到运用，并由次承力构件向主承力件过渡，先出现了复合材料与金属的混合机翼，后发展为全复合材料机翼，进入21世纪，航空史正式步入“复合材料时代”。

复合材料是指由两种或多种不同性能、不同形态的组分材料通过一定的工艺过程组合而成的一类材料，生活中常见的钢筋混凝土、三合板、石棉水泥板都是复合材料。飞机机翼常采用的碳纤维复合材料，就是通过将碳纤维与树脂在一定温度下固化成形的一种材料。在新一代民用飞机中，空客A380、A350和波音787的机翼均大量运用复合材料。与金属材料相比，复合材料拥有更高的强度和刚度，并且可设计性更强，这样制造出来的机翼重量更轻，气动外形更佳，飞行阻力更小。

可以预期，随着高效气动技术、主动结构技术、先进制造技术等的进步，特别是纳米材料、智能材料、多功能复合材料等新材料的快速发展，未来飞机的机翼无论构型还是材质，都将发生让人耳目一新的变化，可能会出现自主可变机翼、柔性折叠机翼、智能感知机翼，抑或还有像鸟儿那样可扇动的扑翼……

内容来源：少年物理学家

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