
空气只对机翼的“掠”感兴趣,前掠还是后掠并不重要,所以机翼也可以前掠,这是俄罗斯的 S-37 研究机

美国X-29 是另一种前掠翼研究机

但反向的展向流动导致翼尖弹性气动发散的问题
不过前掠翼也有一个本质缺陷:就是气动弹性发散问题。机翼不是刚性的,是有一定的弹性的。气流流过翼面产生升力,升力作用于机翼,因此翼尖有一个以翼根为支点上扭的趋势。由于前掠翼的支点在翼尖之后,前掠翼的翼尖有一个天然的向后上方扭转的趋势,上扬导致局部机翼迎角增加,产生更大的升力,进一步加剧向后上方的扭转。如果不加控制,结构很快会由于过度扭曲而损坏。后掠翼的支点在翼尖之前,翼尖在升力作用下有一个天然的向前上方扭转的趋势,局部迎角减小,就没有这个问题。在早期,由于材料的限制,前掠翼无法解决气动弹性发散问题,后掠翼成为唯一的选择。复合材料出现之后,可以通过所谓“气动弹性剪裁”,也就是通过纤维走向的巧妙安排,使结构刚性在法向高于展向,巧妙地克服气动弹性发散引起的问题。
后掠翼和前掠翼都是对称的,要么两侧一起后掠,要么两侧一起前掠。但从减阻的角度来说,没有理由不可以一侧前掠,一侧后掠,形成不对称的斜翼。和后掠翼、前掠翼相比,斜翼沿机身轴线的总横截面积分布比较均匀,有利于满足跨声速面积律,降低跨声速阻力。固定的斜翼有优越性,但变后掠的斜翼才是闪光点。传统的变后掠翼很为铰链位置而苦恼,但变后掠的斜翼的铰链只有一个理想位置:正中间,其他位置都是画蛇添足。由于两侧的重量是平衡的,变后掠的斜翼在机械设计上还简单了一点,这就好比两手向外平伸直接提桶和肩上挑担的差别。在气动上,斜掠角的变化也使升力中心的移动大体不变,简化了飞行稳定性的设计。

既然前掠、后掠都没有关系,那一边前掠、一边后掠也是可以的,这就是斜翼,这是美国的 AD-1 研究机

斜翼的生命力在于和飞翼结合,还可以自然是实现可变后掠角

飞翼用机翼结构承载载荷,最大限度地提高了结构的气动效率,免除了翼根应力问题,这是美国的 B-2
斜翼意外地解决了变后掠翼的难题,但斜翼更能体现优越性的地方是飞翼。传统飞机的机翼和机身是分开的,机翼产生升力,机身装载人员和货物。但机身不产生升力,是“死重”,这个问题使翼根的受力很高,从结构上讲效率不高。最好的办法是所有的载重都在机翼内,那样结构强度要求最低。从理论上讲,要是在机翼上每一点升力和重力都正好抵消,用纸做飞机都可以,最大限度地降低结构重量。当然这在实际上这不可能,还没有上天,重量已经把纸蒙皮压穿了。不过这说明,没有机身、只有机翼的飞翼的大方向正确。
用可以转动的发动机将斜翼、飞翼、变后掠翼结合起来,可以充分发挥三者的优点,而且取消斜翼与机身连接的变后掠的铰链。当然,这样的飞机的飞行控制会很有挑战性。飞翼本身就有气动控制面的作用力臂短的问题,对飞行稳定性不利。斜翼在斜掠角较小的时候也有这样的问题。在斜掠角较大的时候,斜翼两侧的襟翼、副翼不对称,对飞控的挑战也比较大。另外,有人驾驶的斜翼飞翼除非座舱像发动机一样随斜翼的斜掠角而偏转,否则飞行员和旅客总有很多角度要侧对着飞行方向,很是别扭。

翼尖的气流要产生绕流,导致升力损失

英国“喷火”战斗机那著名的椭圆形机翼就是按照减少翼尖绕流和最优升力分布设计的

更加极端的当然就是飞碟,这是加拿大 Avrocar,这是为美国空军设计的,所以是美国空军涂装

不用椭圆形机翼或者飞碟的话,翼梢小翼可以有效地降低翼尖绕流的影响

翼梢小翼不光有向上翻的,还可以向下垂,这是 A320 的小翼
平直翼、后掠翼、前掠翼、斜翼,这些都是直边缘的机翼形状。机翼的一个大问题是翼尖绕流。由于机翼靠下翼面压力高于上翼面压力产生升力,翼尖作为机翼的尽头,下翼面的高压气流可以侧向绕过翼尖,向上翼面卷过来。这个“漏气”的通道不仅造成升力损失,还形成拖在飞机后面的涡流。如果不产生推力,飞机传递到空气中的一切能量都形成阻力,翼尖涡流就是飞行阻力的一个很重要的部分。合理设计升力分布,使靠近翼尖的地方较少产生升力,翼尖绕流产生的阻力就自然减小,椭圆形机翼就是这么一个思路,二战中英国“喷火”式战斗机那著名的椭圆形机翼就是这么来的。椭圆翼的一个自然延伸就是圆形翼。圆形翼不仅使升力产生的部位向翼根集中,还更加符合面积律,尤其是在没有机身的圆形飞翼的情况下。这种飞盘不仅在理论上适合从悬停到超声速的所有速度范围,还是科幻人士的最爱,是飞机设计中难以释怀的一个理想设计,不过飞行控制的问题比较难解决,不仅控制力臂很短,发动机、喷口、控制面的设计都要重新考虑。
解决翼尖绕流的另一个方法是用翼梢小翼,这是竖立在翼尖的垂直小翼,直接阻止翼尖绕流。在气动上,翼梢小翼相当于延长了有效翼展,增加了升力。设计得当的话,翼梢小翼可以达到超过实际“翼展”的有效翼展,但翼梢小翼也增加了阻力和重量,还带来了翼面转接处的气动干扰阻力。翼梢小翼可以同时往上下延伸,也可以只往上延伸,两者之间的选取自然是增升和减重、减阻之间的权衡。在老设计挖潜的情况下,或者在翼展受到机场条件限制情况下,翼梢小翼是很有效的作法。但全新设计机翼时,增加翼展常常更加简洁有效。
翼梢小翼实际上也是有翼尖绕流的问题的,不过绕流发生在翼梢小翼的顶尖上而已,强度远远低于通常的翼尖绕流。为了削弱这个绕流的影响,翼梢小翼可以进一步发展成为 C 形翼,也就是加大翼梢小翼,在顶尖上再向内侧水平延伸,好像健美人士卷起双臂展示肌肉一样。C 形翼的翼梢小翼部分可以兼作垂尾,具有可动的垂直控制面,而顶上的水平部分则可兼作平尾,具有水平的控制面。当然,由于距离飞机重心的力臂较短,控制效果不如真正在机尾的垂尾和平尾。C 形翼的效果和问题都比翼梢小翼更加放大一点,还是一个增升和减重、减阻之间权衡的问题。

翼梢小翼也是有翼尖绕流的,把小翼顶端折起来,就形成了 C 形翼

