平直翼飞机的机翼，为什么要设计成上翘的？

日常生活中，飞机是最常见的交通工具之一。如果仔细留意，就会发现我们乘坐的飞机，一般有两种外观。

一种是后掠翼飞机，即机翼前、后缘向后伸展（后掠）的飞机，其机翼有上翘的，也有下垂的。后掠翼可提高飞机的飞行速度并能突破音障，它主要用于超声速飞机设计。ARJ21型支线客机、C919大型客机都属于后掠翼飞机。

ARJ21型支线客机

C919大型客机

另一种是平直翼飞机，即机翼1/4弦线和机身对称面垂直的飞机。平直翼主要用于低速或亚声速飞机设计。英国的S.E.5、美国的P-51“野马”、我国的初教六和运五都属于平直翼飞机。

英国：S.E.5a战斗机

美国：P-51A野马

中国：初教六

中国：运五

不过，仔细观察这些平直翼布局的飞机就会发现，它们的机翼都是向上翘的。

明明后掠翼飞机的机翼可上翘可下垂，为什么平直翼布局飞机的机翼非要上翘？

要明白这个问题，就得知道什么是飞机的横向稳定性，以及影响飞机横向稳定性的因素。

沿飞机机体坐标系的纵轴的稳定性称为飞机的横向稳定性（侧滚稳定性、上反效应）。当一边的机翼比另一边机翼低时，可以帮助稳定侧面倾斜或者侧滚效果。有三个主要因素影响飞机的横向稳定，即上反角、后掠角和龙骨效应。

1. 上反角

产生飞机横向稳定性的最通常做法是构造机翼上反角，即飞机每一边的机翼和机身形成一个窄的“V”字型，机翼相对于机身上翘。上反角用机翼平面与横轴之间的角度来度量，通常大小为1~3度。

当然，横向稳定性的基础是机翼产生力的横向平衡。升力的任何不平衡都会导致飞机产生绕纵轴侧滚的趋势。

如果短暂的阵风使得飞机的一侧机翼上升，另一侧机翼降低，飞机就会倾斜。当飞机不是转弯的倾斜时，它会侧滑或者朝机翼较低的侧面下滑，如下图所示。

上反角对横向稳定性的作用

因为有上反角，空气冲击较低一侧的机翼的迎角比较高一侧的机翼大得多。如下图所示。这样，较低一侧的机翼的升力就增加，较高一侧的机翼升力就降低，飞机趋于恢复到最初的横向平衡状态（机翼水平）——即两个机翼的迎角和升力又一次相等。

上反效应引起速度和迎角的变化

左、右半翼迎角和速度改变引起的反对称的升力和升致阻力的变化，同时还出现附加的侧向气动力。上反角的效果是产生一个横滚力矩，在发生侧滑时这个力矩趋于使飞机恢复到横向平衡飞行状态。恢复力矩会把较低一侧的机翼向上移动很多，导致另一侧的机翼向下。如果这样的话，这个过程会重复下去，每一次横向摆动幅度都降低，直到最终达到机翼水平飞行的平衡状态。

可见，飞机机翼的上反角是有助于增强飞机的横向稳定性的。

但是，过大的上反角对横向机动是不利的。如果飞机会横向非常稳定，以至于它会抵抗任何有意识的横滚运动，则会造成飞机的滚转操纵困难。出于这个原因，要求具有快速横滚或者倾斜特性的飞机通常其上反角比那些要求较少机动性的飞机上反角小。

2. 后掠角

由于后掠角影响的特性，它对上反效应的影响也是极其重要的。在侧滑时，迎风一侧的机翼后掠角实际减小，而背风一侧的机翼后掠角实际增大。如图9所示。

局部速度和垂直于弦线剖面的局部迎角

斜掠翼只对垂直于机翼前缘的风分量敏感，也就是说产生空气动力的有效速度为垂直于机翼前缘的分速度。从而，如果机翼产生正升力系数，迎风一侧的机翼升力增加，背风一侧的机翼升力降低，产生横向的稳定力矩和消除侧滑的偏航力矩。所以，后掠翼会促进正上反效应，而前掠翼会促进负上反效应。可见，飞机机翼的后掠角是有助于增强飞机的横向稳定性的。

3. 龙骨效应

飞行中，机身的侧面区域和垂直尾翼对气流的反作用非常类似于船的龙骨，它对飞机的纵轴会施加一个稳定的横向影响。

一般飞机的构造决定了龙骨区域的绝大部分在飞机重心的后面上方，如下图所示。

龙骨对飞机横向稳定性的作用

这样，当飞机朝一边侧滑时，作用在龙骨区域上部的气动力趋于使飞机横滚回到机翼水平的飞行状态中。

从上述分析可见，飞机的机翼上反、后掠和产生在飞机重心之上的龙骨效应都可以增强飞机的横向稳定性。平直翼布局飞机机翼没有后掠角，其横向稳定性就只能由机翼的上反角和龙骨效应提供；而龙骨效应相对于上反角和后掠角对飞机横向稳定性的作用较小，因而平直翼布局飞机的横向稳定性就只能主要依靠机翼上反角保证了。

这就是平直翼飞机的机翼总是上翘的主要原因。再看看下面这些平直翼布局飞机的机翼，也是上翘的。

英国：喷火Mk.Ⅴ

德国：梅塞斯密特Bf.109E-1

 苏联：米格-1