為什麼不同類型的飛機機翼形狀會有所不同?
為什麼不同類型的飛機機翼形狀會有所不同?
鍾欣樺
2024年3月
機翼如何產生升力?

圖一 飛機機翼周圍的空氣流動。
機翼的升力受到多種因素影響,當中包括機翼形狀。
由能量守恆的觀點切入,特別設計的機翼形狀使經過機翼頂部的氣流較經過機翼底部的氣流為快。根據白努利原理,機翼頂部氣壓低於機翼底部,由此產生的壓力差便產生升力。(見「為何打風爆窗碎片散在室外?」)
我們也可由動量守恆的角度出發。機翼形狀引發空氣轉向效果,因而產生施加在空氣的向下作用力[1]。根據牛頓第三定律,向上的反作用力會施加在機翼上,而這就是升力。
由能量守恆的觀點切入,特別設計的機翼形狀使經過機翼頂部的氣流較經過機翼底部的氣流為快。根據白努利原理,機翼頂部氣壓低於機翼底部,由此產生的壓力差便產生升力。(見「為何打風爆窗碎片散在室外?」)
我們也可由動量守恆的角度出發。機翼形狀引發空氣轉向效果,因而產生施加在空氣的向下作用力[1]。根據牛頓第三定律,向上的反作用力會施加在機翼上,而這就是升力。
錐形翼與矩形翼
當飛機產生升力以飛行時,尤其是在機翼末端周圍,會形成小型渦旋。(見「飛機的尾巴」)這些渦旋其實是偷取飛機動力的小偷。因此,具有逐漸變窄錐形翼尖的設計(圖二)可減少機翼的表面積,從而減少形成旋渦。總體而言,錐形翼可減少旋渦,減低阻力,使飛行更高效。可是錐形翼的生產成本較高,這就是訓練飛機仍然採用傳統矩形翼的原因之一。(圖三)
後掠翼
氣流經過機翼的特別設計時可以比飛機本身的速度更快。因此,在飛機達到音速之前,氣流因突破音速而產生衝擊波,衝擊波的巨大阻力會使飛機減速。

圖四 後掠翼的俯視圖。
後掠翼把機翼上的部分氣流轉向來延遲衝擊波的形成。從圖四中可以看到,氣流(箭頭A)撞擊機翼時會分為兩部分。其中一部分橫越機翼(箭頭B),部分則沿著機翼向側面流動(箭頭C)。這種分離有效地減低了橫越機翼的氣流速度來延遲衝擊波的出現。此外,後掠翼亦有助於保持飛機直線飛行。
有機會再跟大家談談機翼設計的其他考量。