二战航空飞机结构图（为啥二战飞机机翼设计这么奇特）

【军武次位面】作者：骑猪骑士

二战爆发前，英国的航空工程师们与他们的德国同行关系十分密切，"喷火"的设计师雷金纳德·米切尔曾致信德国同行恩斯特·海因克尔，祝贺他设计的"闪电70"（70 Blitz）打破世界纪录。恩斯特1932年设计的"闪电70"是一架5座高速邮政飞机。一个重要的特征是椭圆形的机翼。另一个是其光滑的机身表面。

▲"闪电70"又叫He-70，推出后打破了6项世界记录

当时的英国战斗机都是过时的双翼飞机，米切尔对恩斯特精心设计的"闪电70"的赞赏让人们联想到"喷火"的设计是"复制"或"抄袭"或受"闪电"影响的。多年后，负责喷火机翼设计的加拿大裔空气动力学家贝弗利·申斯顿否认了这一点，其他飞机也使用过椭圆形机翼，其优势众所周知的。

1907年英国理论家弗雷德里克·兰切斯特就通过计算阐述了椭圆机翼的优点。申斯顿很早就为"喷火"选择了机翼的形状。米切尔想用更薄的机翼前缘，但是皇家空军要求在每侧安装四挺7.7毫米机枪。为了容纳这4挺机枪，机翼前缘被设计得很厚，椭圆形的机翼从离翼根很远的地方开始变窄。申斯顿对米切尔说"我才不管它是不是椭圆，只要它能容纳机枪就行!"

▲二战中的两型著名战机超级"海喷火"和"野马"

理论上来说椭圆机翼的优点在于其产生的阻力是最小的。诱导阻力是由于产生升力而产生的阻力，而不是由表面摩擦和飞机经过涡流所产生的阻力。诱导阻力随着飞机减速和机翼与空气夹角的增大而增大，主要影响爬升速度和机动性。另一方面，摩擦阻力会影响最高速度。兰切斯特用数学证明了当升力分布面为椭圆型时，诱导阻力最小。但这只是理论，实际的飞机有机身和发动机机舱，控制面以及机翼下散热器进气口和武器，所有这些因素都会使升力分布偏离了理想的椭圆形。

即使使用了椭圆形的机翼，也有一些机型的性能并不如意，比如霍克的"海怒"战斗机远不如"喷火"式。美国共和公司的P-47使用与战前设计的P-35相同的机翼。机翼的前缘笔直、外翼后后掠，后缘为半椭圆形，在实现椭圆形面积分布是同时降低了制造机翼前缘的难度。

▲霍克"海怒"战斗机

▲P-47战机

其他公司尝试了梯形的机翼，用两个三个梯形构成近似的椭圆，发现梯形并不明显地劣于椭圆形，并且仍然保留的翼尖的椭圆。直到北美公司的P-51和格鲁曼公司的F6F的出现，这两型飞机抛弃翼尖的圆角。F6F在尾翼翼尖保留了圆角，P-51的水平尾翼和垂直尾翼的曲线与机翼一样锐利。最后发现，"理想的"椭圆升力分布和翼尖形状似乎并没有太大的联系。

倒鸥翼的是德国Blohm＆Voss公司极富创造力的首席设计师理查德·沃格特的最爱。他将其用于一种俯冲轰炸机，以及一种用于在南大西洋上空飞行的四发水上飞机Ha 139。沃格特又尝试了在三发水上飞机Ha 138上尝试了正鸥翼。水上飞机的设计师经常使用鸥翼让发动机远离水面。但是沃格特的想法与众不同。他设计的三发飞机Ha 138的机翼成一个锐利的V型，发动机安装在夹角下的一个挂架上。事实证明，这种设计的空气动力学性能非常差，以至于他不得不用平直翼来代替鸥翼。

▲Ha 139水上飞机

▲F-4U"海盗"也使用了倒鸥翼设计

机翼的尺寸也是影响性能的重要因素。机翼的长度与其弦长之比称为展弦比。在19世纪，人们通过观察鸟类就发现了，大翼展和展弦比的机翼可以减轻减小阻力，但是这种机翼在飞行中操纵性较差，而与短而宽的低展弦比的机翼更坚固。亚音速飞机的机翼分为两大类。用于战斗机等快速、高机动性飞机的机翼往往比较薄，展弦比为5或6。为运输而设计的飞机展弦比更高，通常为10或更高，并且为了容纳必要的内部结构，机翼很厚。

机翼设计的另一个重要的特征是截面形状。法国，德国，英国和美国的等航空研究机构已经设计了适合各种速度和机翼载荷的机翼形状。这些机翼形状都是用抽象的数学方程表示的，然后通过风洞测试测量了这些形状的空气动力学特性，飞机设计人员将从目录中选择合适的形状。

德国科学家麦克斯·芒克在机翼形状方面做了很多奠基性的研究，他于1920年以技术顾问的身分进入NACA兰利实验室，并最终成为空气动力学负责人。蒙克是一个很难与之共处的人，他独裁，刻板，执着于等级制度，对人不敏感，并且由于英语水平不高。1927年，兰利分部负责人集体辞职表示对他不满之后，芒克被迫离开，在一所大学教书

在1930年代后期，NACA空气动力学专家伊士曼·雅各布斯开发了一种用于设计翼型的系统，在复杂的数学公式中产生一组所需的解。第一个成功是用于P-51"野马"的"层流翼型"。从理论上讲，保持机翼上方的空气平滑流动可使阻力减半。在实践中，空气会在机翼表面形成微小的湍流。层流翼型的最大厚度位置更靠后缘，前缘半径较小，上表面比较平坦，空气可以尽可能在更长的距离上加速，这就推迟了湍流的产生，

▲传统翼型（上）和层流翼

每种机型都是理论与实际的碰撞。飞机材料的性能、需要容纳乘客和货物、起落架的要求以及随之而来的离地间隙、冷却、可维护性等等需求都在理论和实际中间造成了巨大的对立。设计师面临的挑战是将实验室的理想形状与实际要求相结合。出色的航空设计师的标志是一种能力。这种能力不是将一个特征发挥到极致，而是将许多相互矛盾的元素结合成一个成功的整体。解决这个难题的方法永远不会只有一种，如果有的话，最后只有一种完美的飞机。