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飛機有雙翼,也有單翼,為什麼現在的飛機,民用戰機都不用了呢呢?

本文參加百家號#科學了不起#系列徵文賽。

飛機有雙翼,也有單翼,正所謂“雙拳難敵四手”,多一對翅膀,總比少一對強,況且單從外觀上來講,雙翼飛機看起來也更加炫酷,可為什麼現在的飛機,無論是軍用戰機,還是民用客機,都不再使用雙翼了呢?

飛機有單翼,也有雙翼,但原本的飛機,就是雙翼的,這還要從1804年說起。自人類文明誕生以來,我們的祖先就時常仰望天空,並幻想自己能夠像鳥一樣翱翔於天際。人類作為一種智慧生命,行動能力是非常強的,所以從很早很早以前,人類便試圖製造各種能夠帶人飛向藍天的工具,但多以失敗而告終,究其原因,主要是因為人類始終未能搞懂影響飛行的因素是什麼,直到一個人出現了,他就是喬治·凱利。喬治·凱利出生於1773年,從小,他便是一個聰明的孩子,有著旺盛的求知慾望和對自然科學的濃厚興趣。

事實上,在凱利出生之前,人類就已經實現了飛上藍天的夢想,那個時候帶領人類飛上天空的是熱氣球。

在凱利10歲那年,他第一次親眼目睹了熱氣球升空飛行,他想:氣球能夠升空飛行是理所當然的,因為氣球比空氣更輕,可是鳥為什麼也能飛行與天際呢?要知道鳥可是要比空氣重多了。既然比空氣重的鳥可以飛起來,那麼一定也可以造出比空氣重的飛行器。從此,凱利開始了關於飛行器的研究。

要想讓比空氣重的東西飛起來,就一定要搞清楚影響飛行的因素都有哪些,在經過反覆的觀察和研究之後,凱利終於確定了影響飛行的四個關鍵因素,那就是升力、重力、推力和阻力,任何東西的飛行都是這四種力共同作用的結果。

後來,喬治·凱利將自己對於航空原理的研究寫作成書,這些著作可以說是毫無錯處,喬治·凱利也因此被譽為“空氣動力學之父”,他於1804年製造出了人類航空史上第一個真正意義上的比空氣重的飛行器,一架能夠飛行幾秒鐘的滑翔機。

正是在凱利的基礎之上,1903年,萊特兄弟終於發明出了歷史上第一架真正意義上的飛機,而這架飛機就是雙翼的。那麼飛機為什麼是雙翼的呢?其實,在萊特兄弟之後,便有人試圖研究製造單翼飛機,但都以失敗而告終了,原因很簡單,只有一對翅膀提供升力,飛機根本無法飛起來,原因就是升力不足。飛機的升力不是與機翼的長度呈正比嗎?既然升力不足,那為什麼不加長機翼呢?這放在如今,當然是可以的,但當時並沒有足夠堅硬又輕便的材質,所以加長的機翼只會是一種結局,那就是折斷。

影響飛行的關鍵因素有四個:升力、重力、推力和阻力。

為了讓飛機克服阻力,就必須要有足夠的推力,而推力靠發動機來提供,而當時的發動機是很笨重的,笨重的發動機使得飛機整體所受的重力大幅增加,於是就需要極大的升力才能夠讓飛機升起來,而為了儘量減輕重量,機翼只能夠使用木材包裹紡織品來製造,所以強度是極為有限的,不可能做得太長。既然長度無法增加,那就只好由一變二,造成雙翼,這就是雙翼飛機的由來。

相比單翼飛機而言,雙翼飛機的升力提升了大約20%左右。增加了一對翅膀,升力沒有提升一倍,只提升了20%?是的,這是因為上下兩個機翼在空氣動力學上產生了相互干擾,所以增加的升力也並沒有想象的那麼多。

隨著基礎科學的進步,新的材料逐步出現了,鋁合金材料開始應用於飛機的結構,於是機翼可以做得比以前更長了,隨著新型發動機的出現,重量減輕、動力提升,單翼飛機終於也能夠實現有效飛行了,至此,雙翼飛機開始逐漸退出歷史的舞臺。

為什麼單翼飛機一成功,雙翼飛機就很快被取代了呢?這是因為雙翼飛機有一個明顯的缺點,就是阻力大。相比單翼飛機而言,雙翼飛機的升力只提升了20%,但阻力卻大幅增加了,這是因為上下兩個機翼之間的支撐結構大大增加了飛機阻力面積,這使得雙翼飛機的飛行效率要遠低於單翼飛機,所以雙翼飛機的謝幕也是必然。不過雙翼飛機並不會徹底消失,雖然現在軍用戰機和民用客機都不會採用雙翼設計,但在一些私人飛機和表演飛機中,雙翼仍然存在,原因只有一個,它確實好看啊。