2016年11月1日，第11屆中國國際航空航天博覽會在珠海拉開帷幕。中國空軍派出兩架現役運-20運輸機參加航展。據介紹，運-20運輸機采用了超臨界機翼設計，在同樣動力的情況下足足比伊爾76提升了33%的運力。而作為首款交付航空公司使用的噴氣式支線客機，ARJ-21客機也將參加此次珠海航展。無獨有偶，ARJ-21客機也采用了超臨界機翼設計。此外，參加本次航展的空客A350客機，英國空軍A400M運輸機等運輸類飛機也都聲稱采用了超臨界機翼設計。


圖：運20運輸機機翼特寫

　　那么問題來了，被廣泛采用的超臨界機翼到底是何方神圣？它又有怎樣的特點呢？讓我們從源頭說起。
氣動特性的需求
　　運輸類飛機的經濟性和機翼升力阻力比關系極為密切。尤其是現代大型運輸類飛機，其飛行馬赫數處在高亞音速范圍，機翼設計的重要性不言而喻。在這一速度范圍內，氣體的流動現象極為復雜，因此高亞音速大型運輸類飛機的氣動優化設計成為航空大國氣動研究領域的重中之重。
　　大型運輸類飛機的氣動性能直接關系到飛機設計的成功與否，而氣動特性又由飛機巡航馬赫數與巡航升阻比的乘積反應，乘機越大，氣動特性越好。為了提高運輸類飛機經濟性能，有兩個選擇：提高巡航馬赫數或者巡航升阻比。然而一般情況下，高升阻比的翼型，其跨聲速性能較差，這都會不可避免地產生強激波；相反，高亞音速翼型雖然提高了巡航馬赫數，但其升阻比卻相對較小。一直以來，追求高巡航馬赫數和追求高升阻比是一對不可調和的矛盾，而超臨界翼型的出現成功解決了這一矛盾。
超臨界翼型的原理
　　翼型的設計使得氣流流過機翼時能在上表面加速，上下表面氣流的速度差導致壓力差，這樣形成升力。


圖：傳統翼型和超臨界翼型外形對比

　　對普通翼型而言，前緣（頭部）越尖，氣流繞過時速度的增加越多，然后在翼型上表面流速繼續增加，且翼型厚度越大，速度增加也越多。當飛行速度足夠高時(相當馬赫數0.85～0.9)，翼型上表面的局部流速可達到音速，這時的飛行馬赫數稱為臨界馬赫數。飛行速度再增加的話，上表面便會出現強烈的激波，引起氣流分離，使機翼阻力急劇增加。
　　而為了保持飛機飛行的經濟性，飛行馬赫數不宜超過臨界馬赫數。減小機翼厚度或采用后掠機翼可提高臨界馬赫數，但是這樣會增加機翼重量，翼面積大，摩擦阻力也大，還有翼尖失速問題。那么怎樣推遲大飛行馬赫數下機翼上表面強激波的產生呢？答案便是超臨界機翼。
　　超臨界翼型設計的本質是弱激波翼型的設計，其頭部比較豐滿，降低了前緣的負壓峰值使氣流較晚到達聲速，即提高了臨界馬赫數。同時超臨界翼型上表面中部比較平坦，有效控制了上翼面氣流的進一步加速，降低了激波的強度和影響范圍，推遲了上表面的激波誘導邊界層的分離。因此超臨界翼型有著更高的臨界馬赫數和更高的阻力發散馬赫數。


圖：波音777的超臨界機翼

超臨界翼型的優勢
　　相對于傳統機翼，超臨界機翼具有以下3方面優勢。


圖：傳統翼型與超臨界翼型氣動特性對比

　　(1)在機翼厚度比和后掠角不變的情況下，可以將阻力激增馬赫數提高。在不增加結構重量的情況下提高飛機速度，降低飛機的直接運營成本。
　　(2)對于給定的阻力激增馬赫數和后掠角，可以采用較厚的機翼，增加機翼容積，也可以顯著降低機翼重量，或者提高機翼展弦比。
　　(3)對于給定的阻力激增馬赫數和厚度比，可以減少機翼后掠角，從而提高最大升力和起飛、著陸狀態的升阻比，提高設計巡航升力系數，并且對于給定的展弦比，可以減輕機翼重量。
　　這些進步可以帶來以下優勢：減少機翼面積、降低機翼阻力，尤其在翼展不變時減小機翼弦長；在固定馬赫數下降低等效空速，增加巡航高度，在遠程飛行時節省燃油；減小馬赫數，降低中短程運輸飛機的燃油消耗。
　　以空客A340客機和波音747客機為例，空客A340飛機的載客能力只相當于早期波音747的四分之三，卻具有更大的航程。盡管動力裝置的改進和結構重量的減輕發揮了一定的作用，但A340飛機性能的提高主要來自于機翼的改進，A340飛機的翼展與波音747飛機相差不多，但其機翼面積只有波音747飛機的65%。


圖：波音747與A340機翼平面形狀對比

　　如今，超臨界機翼已經成為各類大型飛機的標配，在世界各地的民用、商務和軍用飛機上被廣泛使用。它帶來的效率提高，為航空業每年節省數十億美元的燃料，顯著減少了溫室氣體排放量。目前我國已基本掌握了超臨界機翼技術，并已應用于正在研制的幾款包括ARJ-21、C919和運-20在內的大飛機上。相信隨著國內空氣動力學的發展和我國航空工業的進步，會有越來越多使用超臨界機翼的國產大飛機翱翔于天空。

現代大飛機之翼：超臨界機翼

圖文簡介

2016年11月1日，第11屆中國國際航空航天博覽會在珠海拉開帷幕。中國空軍......