飞机机翼的秘密：空气动力学如何改变飞行？
飞机机翼的秘密：空气动力学如何改变飞行？
2024年，中国西北工业大学的研究团队在航空技术领域取得了突破性进展。他们创新性地设计了一种带有特殊孔洞结构的新型机翼，这一设计有望显著减轻音爆效应，并提升飞机的空气动力效率。这一突破不仅展示了中国在航空技术领域的实力，也揭示了飞机机翼设计背后深刻的科学原理。
要理解这一创新的重要性，我们首先需要了解飞机机翼设计的基本原理。飞机为什么能在天空中翱翔？秘密就在它的机翼里。通过巧妙运用空气动力学原理，尤其是伯努利原理，飞机的机翼设计能够产生足够的升力，克服地球引力。
伯努利原理是空气动力学中的一个基本原理，它描述了流体（在这里特指空气）在流动时的一些基本特性。伯努利原理主要包含三个要点：
流体在流动过程中，流速越大的地方压强越小，流速越小的区域压强越大。这是因为流体在流动时，流速快的地方分子间的碰撞频率减少，压强也随之减小；反之，流速慢的地方分子间的碰撞频率增加，压强增大。
在重力场中的流体，当处于稳定流动状态时，流体的压力能、位能和动能的总和是守恒的。也就是说，流体在流动过程中，压力、速度和高度之间的变化是相互关联的。
当流体经过收缩或扩张的管道时，流速和压强也会相应改变。在管道收缩的地方流速会增加，压强减小；在扩张的地方流速减小，压强增大。这是因为流体在管道中的流动需要遵循质量守恒定律，即单位时间内流过管道任一截面的流体质量是恒定的。
在飞机机翼设计中，伯努利原理得到了巧妙的应用。机翼的形状通常设计成上凸下平的特殊形状，这种设计使得当飞机前进时，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，是飞行力学中机翼产生升力的关键所在。
随着航空技术的发展，现代飞机机翼的设计也在不断创新。从早期的平直翼到后掠翼、三角翼等不同设计，每一种设计都有其独特的优缺点。
平直翼是最早期的机翼设计，结构简单，容易制造。但受限于材料和工艺技术，使用平直翼的早期飞机，安全性和稳定性并不能得到很好的保证。
后掠翼设计可以推迟激波阻力的产生，适用于高速飞行。但三角翼在大迎角飞行时能保持较好的升力系数，还可以把战斗机的所有部位收进机头产生的激波之内，从而有效克服音障。但三角翼的缺点也比较明显，起飞和降落时的低速性能较差，在起飞或降落时，飞机需要较高的速度，才能获得足够升力。
变后掠翼的设计可以兼顾高、低速性能：在起飞、着陆和低速飞行时，减小后掠角，使机翼前缘升力增加，提高飞机的升力系数，缩短“起—落—滑—跑”的距离；在高亚声速和超声速飞行时，增大后掠角，减小飞行阻力，提升飞机的加速性能。这样一来，就能有效解决飞机高、低速矛盾，使飞机在较宽的速度范围内保持良好的气动性能，适应不同的飞行任务。
在现代飞机设计中，空气动力学的应用已经不仅仅局限于机翼设计。通过CFD（计算流体动力学）仿真技术，工程师们可以对飞机的各大部件如机身、机翼、舵面、发动机短舱、气密舱、起落架等进行常规的结构分析、热分析、空气动力分析。这些分析有助于优化飞机的整体性能，提高稳定性和安全性。
西北工业大学研究团队的创新设计，正是在这一背景下诞生的。他们在机翼上设计特定的孔洞，通过调节喷流强度来减少机翼前缘的湍流，从而降低机翼振动。这种设计在不显著降低升力的情况下，将空气动力效率提高了逾10%。这一突破不仅展示了中国在航空技术领域的实力，也揭示了飞机机翼设计背后深刻的科学原理。
随着科技的不断进步，空气动力学在航空领域的应用将越来越广泛。未来的飞机设计可能会带来更多令人惊叹的创新，进一步推动航空技术的发展。