[科普中国]-现代大飞机之翼：超临界机翼

2016年11月1日，第11届中国国际航空航天博览会在珠海拉开帷幕。中国空军派出两架现役运-20运输机参加航展。据介绍，运-20运输机采用了超临界机翼设计，在同样动力的情况下足足比伊尔76提升了33%的运力。而作为首款交付航空公司使用的喷气式支线客机，ARJ-21客机也将参加此次珠海航展。无独有偶，ARJ-21客机也采用了超临界机翼设计。此外，参加本次航展的空客A350客机，英国空军A400M运输机等运输类飞机也都声称采用了超临界机翼设计。

图：运20运输机机翼特写

那么问题来了，被广泛采用的超临界机翼到底是何方神圣？它又有怎样的特点呢？让我们从源头说起。
气动特性的需求
运输类飞机的经济性和机翼升力阻力比关系极为密切。尤其是现代大型运输类飞机，其飞行马赫数处在高亚音速范围，机翼设计的重要性不言而喻。在这一速度范围内，气体的流动现象极为复杂，因此高亚音速大型运输类飞机的气动优化设计成为航空大国气动研究领域的重中之重。
大型运输类飞机的气动性能直接关系到飞机设计的成功与否，而气动特性又由飞机巡航马赫数与巡航升阻比的乘积反应，乘机越大，气动特性越好。为了提高运输类飞机经济性能，有两个选择：提高巡航马赫数或者巡航升阻比。然而一般情况下，高升阻比的翼型，其跨声速性能较差，这都会不可避免地产生强激波；相反，高亚音速翼型虽然提高了巡航马赫数，但其升阻比却相对较小。一直以来，追求高巡航马赫数和追求高升阻比是一对不可调和的矛盾，而超临界翼型的出现成功解决了这一矛盾。
超临界翼型的原理
翼型的设计使得气流流过机翼时能在上表面加速，上下表面气流的速度差导致压力差，这样形成升力。

图：传统翼型和超临界翼型外形对比

对普通翼型而言，前缘（头部）越尖，气流绕过时速度的增加越多，然后在翼型上表面流速继续增加，且翼型厚度越大，速度增加也越多。当飞行速度足够高时(相当马赫数0.85～0.9)，翼型上表面的局部流速可达到音速，这时的飞行马赫数称为临界马赫数。飞行速度再增加的话，上表面便会出现强烈的激波，引起气流分离，使机翼阻力急剧增加。
而为了保持飞机飞行的经济性，飞行马赫数不宜超过临界马赫数。减小机翼厚度或采用后掠机翼可提高临界马赫数，但是这样会增加机翼重量，翼面积大，摩擦阻力也大，还有翼尖失速问题。那么怎样推迟大飞行马赫数下机翼上表面强激波的产生呢？答案便是超临界机翼。
超临界翼型设计的本质是弱激波翼型的设计，其头部比较丰满，降低了前缘的负压峰值使气流较晚到达声速，即提高了临界马赫数。同时超临界翼型上表面中部比较平坦，有效控制了上翼面气流的进一步加速，降低了激波的强度和影响范围，推迟了上表面的激波诱导边界层的分离。因此超临界翼型有着更高的临界马赫数和更高的阻力发散马赫数。

图：波音777的超临界机翼

超临界翼型的优势
相对于传统机翼，超临界机翼具有以下3方面优势。

图：传统翼型与超临界翼型气动特性对比

(1)在机翼厚度比和后掠角不变的情况下，可以将阻力激增马赫数提高。在不增加结构重量的情况下提高飞机速度，降低飞机的直接运营成本。
(2)对于给定的阻力激增马赫数和后掠角，可以采用较厚的机翼，增加机翼容积，也可以显著降低机翼重量，或者提高机翼展弦比。
(3)对于给定的阻力激增马赫数和厚度比，可以减少机翼后掠角，从而提高最大升力和起飞、着陆状态的升阻比，提高设计巡航升力系数，并且对于给定的展弦比，可以减轻机翼重量。
这些进步可以带来以下优势：减少机翼面积、降低机翼阻力，尤其在翼展不变时减小机翼弦长；在固定马赫数下降低等效空速，增加巡航高度，在远程飞行时节省燃油；减小马赫数，降低中短程运输飞机的燃油消耗。
以空客A340客机和波音747客机为例，空客A340飞机的载客能力只相当于早期波音747的四分之三，却具有更大的航程。尽管动力装置的改进和结构重量的减轻发挥了一定的作用，但A340飞机性能的提高主要来自于机翼的改进，A340飞机的翼展与波音747飞机相差不多，但其机翼面积只有波音747飞机的65%。

图：波音747与A340机翼平面形状对比

如今，超临界机翼已经成为各类大型飞机的标配，在世界各地的民用、商务和军用飞机上被广泛使用。它带来的效率提高，为航空业每年节省数十亿美元的燃料，显著减少了温室气体排放量。目前我国已基本掌握了超临界机翼技术，并已应用于正在研制的几款包括ARJ-21、C919和运-20在内的大飞机上。相信随着国内空气动力学的发展和我国航空工业的进步，会有越来越多使用超临界机翼的国产大飞机翱翔于天空。