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飞机百年发展
宋笔锋简历
宋笔锋，1963年3月17日出生于陕西凤翔县，1981年毕业于西北工业大学飞机设计专业，从此和飞机结下了不解之源。
1988年宋笔锋获西北工业大学飞机设计学科硕士学位，并留校任教。
在工作的同时，他继续攻读博士，于1997年获飞机设计学科博士学位，博士论文获2000年全国百篇优秀博士论文。1998年被评为教授；时年35岁，从1999年起任博士生导师。
2001年获教育部长江学者，成为教育部长江学者奖励计划特聘教授。
2003年始任西北工业大学航空学院副院长，是国家重点学科“飞行器设计”学科的带头人，教育部优秀青年骨干教师，国防科工委优秀教师。
共发表论文80余篇，世界著名的三大索引报道20余篇次，获科研奖励7项，目前承担包括国家自然科学基金、973和863等科研项目多项。
许戈辉：“问渠哪得清如许，为有源头活水来。”各位好！这里是《大红鹰世纪大讲堂》，我是许戈辉。今天我们要谈的是飞机，而在这里谈，应该说是Right Time、Right Place、Right People。怎么讲呢？
Right Time，叫合适的时间。整整一百年前美国的莱特兄弟，首次实现了人类的动力飞行，人类终于给自己插上了翅膀，也就是说今年是纪念人类（动力）飞行的一百周年。
Right Place，合适的地点。我们都知道这里是西北工业大学，分为航空、航天、航海，三大领域，其中又是以航空力量最为强大。
那么Right People，合适的人。我们知道下边的听众是西北工业大学，很多是航空学院的学生，也有很多是对航空感兴趣的学生。而台上的主讲嘉宾呢，更是西北工业大学航空学院的副院长，咱们国家重点学科，飞行器设计学科的带头人。
你看天时、地利、人和，一定会呈现给我们的电视观众一台精彩的报告。
我们首先就来认识一下宋笔锋教授。
宋教授，那问问您，就是现在飞机已经有一百年的历史了，现在的飞机，大家都在，各国都在发展自己的飞机，都在比拼哪些方面呢？
宋笔锋：大概是这样，就是说从飞机的类别来讲，主要是有，就是说各个国家，主要是在战斗机这个方面，竞争比较激烈。
许戈辉：军事方面的。
宋笔锋：在军事方面的，因为它是要取得，在战争里面要取得空中的优势嘛。另外战斗机，它的技术可以移植到其它类型的飞机。第二个类别就是民航飞机。民航飞机主要是，它是一个从市场价值来看，它是巨大的。
许戈辉：我们都知道波音和空客，两家打得特别厉害。
宋笔锋：实际上在十几年以前，世界上民用的航空飞机制造厂非常多，经过这几年火并以后，现在世界上基本上剩两大家，一大家就是波音，一大家就是欧洲的空客，实际上这两家竞争也很激烈。
许戈辉：那它们两家从技术上讲，有什么太大的差距吗？
宋笔锋：技术上来讲的话，应该说差距不是特别地大。
许戈辉：我们都知道，飞机可以有很多层面去了解它，那您今天为什么专门选择了从飞机的外型变化来看飞机的发展呢？
宋笔锋：有两方面的原因。正如你所讲的，影响飞机的因素比较多，其中有四个是最关键的因素。
第一个，就是它的外型。第二个，是它的动力系统，它的发动机。第三个，是它的控制系统。第四个，是它的结构、材料这些方面的，当然还有些其它因素在里头。
那么外型，在飞机的发展过程里面，特别是在八、九十年代之前，应该是起一个主导作用。
许戈辉：那也是就说在前八十年，甚至到九十年，就是从有了动力飞行到现在是一百年，前八、九十年，外型都占了一个很重要的位置。
宋笔锋：第二点，可能不一定搞飞机的人，那么他接触到飞机的话，就感觉飞机的外型各种各样，千奇百怪，有的给人感觉每一种飞机虽然样子不一样，但都比较帅、比较酷，这个是我今天选择这个题目两个原因。
许戈辉：就是内行人、外行人都会感兴趣这个题目。
好，那我们就欢迎宋教授给我们从飞机的外型变化来揭示一下飞机百年发展的历史。好，我们欢迎！
宋笔锋：刚才主持人已经讲了，飞机已经有一百年的历史，今年是人类纪念首次动力载人飞行的这么一个一百年的一个日子，有幸在这里跟大家一块回顾一下飞机的一些发展过程。那么飞机的发展过程，刚才实际上我已经提到过一点，那么飞机的发展实际上是取决于，从根本上讲取决于两大方面。
第一大方面，人类飞机设计理念的更新。
第二个大的方面，就是取决于我们的基础工业给我们所提供的可能性。
那么基础工业呢，这个里面主要是包含我们的材料领域和我们的制造领域。也就是我们设计出来以后，能不能制造出来，那么从飞机设计这个角度来讲的话，影响飞机设计的，或者影响飞机平台的因素，应该说大概有四种。
第一种就是飞机的外型。
第二种就是，它的动力系统，就是发动机。
第三块，就是它的控制系统和控制方式。
第四块，就是它的结构和材料。
应该说在一百年里面，这四个方面都得到了很大的发展。因为时间关系，我今天只给大家简单介绍一下从飞机的外型方面来看，这一百年里面有哪些大的变化。
那么在了解飞机的外型变化之前，我们想看一下飞机它的升力的产生原理，或者说飞机是怎么飞起来的。那么如果大家要对这个问题有一个直观的了解的话，我们不妨自己找一张纸，那么第一次把这个纸平放，让我们吹口气，我们看一下，这个时候实际上这张纸是，我们会感觉到这个纸是不会产生升力的。第二，如果我们倾斜地放这张纸的话，也就是说纸的前沿朝上，它的后沿朝下，我们吹一口气的话，我们就会感觉到，这个纸面会有升力。那么这个原理就是飞机飞起来的最基本的原理，那么它最后人们把它归纳成为一个数学的方程，叫伯努利方程。
它的最基本的规律是什么呢？就是气体的流动对于对称物体来讲是不产生升力的，就像我们左边这幅图。那么一个气流通过一个对称的物体它是不产生升力的，通过一个非对称物体的话，它就会产生升力，这个应该讲是飞机能够飞起来的一个最基本的原理。
那么从飞机的外型来看，今天我主要讲的是它的主流的发展方向，应该说可以分为七个阶段，或者说七个发展的主流外型。
那么第一个阶段，就是双翼机或者多翼机。
第二个阶段，就是单平直机翼飞机。
第三个阶段，是后掠翼的飞机。
第四个阶段，叫三角薄翼飞机。
第五个阶段，变后掠翼的飞机。
第六个阶段，鸭式薄翼的飞机。
第七个阶段，就是现在我们比较时髦的隐身飞机。
大概主流的发展阶段会分这样七个阶段。
那么我们就结合这七个不同的外型，来看看它的一些特点。我们看了这个画面上左侧，有一架双翼飞机。这架飞机就是1903年莱特兄弟制造的飞机。那么当时这架飞机只有飞行了几百米，那么留空时间也就几十秒，不到一分钟的时间。那么它是一个双层机翼的飞机。右边这幅图，我们看到一个三层机翼的飞机，这架飞机是德国的飞机，它在第一次世界大战里面起了很重要的作用。
可以说双翼机和三翼机，主要是用在第一次世界大战里面。那么下面大家可能会有一个问题，为什么早期的飞机是双层机翼的，或者是三层机翼的呢？原因有两个原因，或者说主要的原因有两个。
第一个原因，就是人们在早期设计飞机的时候，没有太多的空气动力学的理论，简单地认为机翼越多，那么它升力就越大。或者说飞机的升力是随着机翼的层数的增加，是成倍增加的。那么这样的话，我增加一个机翼，它升力增加了，我再增加一个机翼，升力就是原来单机翼的三倍了，这样的话是不是更好一些，出于这么一个简单的直观的一个理解。
第二个原因，当时因为工业水平，飞机制造主要是用木材、帆布、钢索，这种材料制作的，那么我们知道机翼在飞行过程里面，要承受它的空气动力学载荷，为了承受空气动力学载荷，机翼设计必须有一定的强度。那么如果用木材、帆布、钢索做单机翼的飞机的话，那结构强度是不够的。但是可以把它做成一个双层的或者三层的，这样会形成一个箱体，它的结构强度就是满足要求的。所以早期应该地来讲，飞机为什么是双层的或者是三层的，主要有这两方面的原因。
那么随着飞机技术的发展，飞机发展到它的第二个阶段，叫单直翼面的飞机。那么左边这幅是世界上比较早出现的一种单直翼面的飞机，是英国产的。那么右面边这幅图是非常有名的Bf。109，它在第二次世界大战里面发挥了很重要的作用。那么它另外一个作用，是在二十世纪三十年代，在西班牙战争里面，那么曾经大败英国的非常有名的双翼机。从而确立了单翼机在战斗机这个领域里面的地位。
那我们看到的这两幅图，就是被Bf。109打败的英国的格罗斯特斗士双翼机。
我们看到这两架飞机也是一个单直翼面的飞机，那么它也是非常有名的。
左面这幅图是日本的“零”式飞机，那么在第二次世界大战里面，特别是在太平洋战场，是非常有影响的。在战争的初期，“零”式飞机应该说是天下无敌。那么曾经在我们中国作过战，据记录击落了中国的战机99架，那么自己损失了两架，这两架还不是被击落的，而是由于在地面自己损坏的。那么在偷袭珍珠港的战役中，“零”式飞机也发挥了很重要的作用。那么在攻打菲律宾和其它东南亚的国家的时候，我们知道那个时候美国在这些国家都有驻兵，那么很快能把东南亚拿下来，那么这架飞机来说，应该说是功不可没。
那么右边这架飞机，是美国的F…6F，叫恶妇，它有一个绰号叫恶妇。它的出现以后，就击败了“零”式飞机，那么它总共击败了4947架日本的飞机，那么其中大多数是零式飞机。那么它又是单直翼面的飞机。
我们看到这幅图是二次大战里面非常有名的单直翼面的飞机，叫P…51系列，它有一个绰号叫野马系列。那么它是在二次世界大战后期，对战争的胜负或者对空中的优势，对美国的空中优势，对盟国的太平洋战争取得胜利，应该说起了一个非常关键的作用。它性能是非常好的。
大家同样有一个问题，为什么出现单直翼面的飞机呢？主要有三个方面的原因。
第一个原因，随着人们对空气动力学的认识，发现飞机的升力并不是随着翼面层数的增加而线性增加的。像根据空气动力学家的研究，那么单翼面飞机，它的最大升阻比可以达到17，而双翼面飞机它的最大升阻比达到14，那么这里面有个概念叫升阻比，什么意思？就是飞机的升力和阻力的比值。我们知道，设计飞机要升力比较大、阻力比较小，这是我们基本的原则。升阻比比较大的话就说明性能比较好。
那么三层翼面的飞机，经过空气动力学家的研究以后呢，最多（升阻比）只能达到12，因此可以看出来，它并不是线性增加的，它的升阻比，它并不是随着飞机翼面的层数的增加呈线性增加的关系。
那么第二个原因，就发现，在飞机的多层翼中间，特别是在翼面中间有（气流）涡系，那么这个涡系相互影响，增加了飞机的阻力。
那么第三个原因，随着工业技术的发展，这个时候人们已经开始用铝合金，大家知道铝合金它是比较轻、强度又比较高的一种材料，用铝合金开始制造飞机。那么就解决了双翼机和多翼机开始的时候存在的它的结构强度不够，必须用箱体承载的这么一个缺点，开始用金属，铝合金的结构来制造飞机。
实际上飞机在发展过程里面，在初期的发展过程里面，它一直在追求它的飞行速度。那么到单翼机出现以后，人们还希望它的速度继续提高，这个时候就面临一个突破音速的一个概念。那么随着这个人们需要飞机速度超过音速这样一个概念的出现，那么就出现了后掠翼的飞机。那么突破音障，那么这个概念的话，实际上是有两个，最后有两个（因素）作用来完成的。第一个就是，飞机的动力系统，由螺旋桨改成了喷气式的发动机。第二个，就是发动机（飞机）的机翼由平直机翼改成后掠的机翼。因为我们今天主要讲外型，所以不涉及到动力系统，所以我们仅仅从外型的角度来看，它是怎么样帮助飞机超过音速的。
那么这两架飞机，实际上是世界上比较早的，在实战中使用的后掠翼的飞机。我们看机翼是一个向后倾斜的，所以我们把它叫后掠。
那么这两架飞机呢，米格…19和F…101，那么也是后掠翼的飞机。那么米格…19，在我们国家叫歼…6，也是比较有名的后掠翼的飞机。
那么刚才我们讲了，随着人们追求这个飞机的飞行速度，在飞机设计的初期的时候，它是一个一直追求的一个目标。那当飞机接近音速的时候，音速是什么概念呢？我们知道，在海平面，温度在摄氏零度的时候，它声音的传播速度是每秒340米，大概是（每小时）1224公里左右，那么当飞机的飞行速度接近音速的时候，就会出现一个新的现象，叫激波。那么激波产生以后，那么就会对飞行物或者对飞机产生一个波阻或者压差阻力。那么这个阻力是由于空气的压缩形成的，这个空气的压缩层，这个激波，实际上是一个很薄的空气压缩层，它的厚度大概是千分之一到千分之四厘米这个量级，这么一个薄的空气压缩层，它前后空气的压强变化很大，就导致了这个飞机或者飞行物形成一个压差的阻力，我们有的时候也把它叫做激波，叫波阻。
那么飞机采用这个后掠的概念以后，可以延缓激波的产生，换句话说，可以减少波阻，像我们看到这幅图，那么这个是来流的速度，也就是飞机的飞行速度，它是超音速的，因为这个叫马赫数，马赫数就是飞机的飞行速度和当地的音速的比值。为什么当地因素呢？随着飞行高度或者飞行的过程不同的话，它声音的传播速度是不相同的。
那样如果机翼采用后掠的概念以后，这个时候垂直于机翼前沿的流速，它是飞机飞行速度的一个分量，M∞×cosλ0，λ0是它的后掠角。那么飞机飞行速度是超音速的，但是它流经翼面的气流的速度是亚音速的，那么经过精心设计以后，只要满足一定的要求，那么流经后掠翼飞机，机翼前沿的速度，总是处于一个亚音速的状态。那么就可以避免激波的产生，减少波阻，这就是后掠翼为什么产生的一个最根本的原因。
对后掠翼来讲，当飞机的飞行速度接近音速，或者超过音速不多的时候，那么后掠翼是起作用的。那么当飞机飞行速度很高，超过音速很多的时候，那么这个时候，它整个飞机的表面，包括它的一些，包括流经机翼的速度，气流的速度，它超过音速是不可避免的了。那么这个时候，就出现了三角薄翼的飞机，为什么会出现三角薄翼的飞机呢？我们看这幅图上，就是世界上比较早的出现的几种三角薄翼飞机，像我们比较熟悉的米格…21，我们国家现在改进以后，叫歼…7，等等，那么都是三角翼的，那么现在很多飞机的外型实际上也是三角翼的。那么三角翼应该说它时间比较长，到现在很多飞机仍然是三角翼的。
那么为什么飞机要变成一个三角薄翼呢？主要有两个方面的原因。
第一个方面的原因，人们发现，激波的阻力实际上跟飞机的机翼的厚度和它弦长的比值是有关系的。这个值越大，阻力是一个呈非线性增加的。那么只要是采用三角薄翼以后，这个厚弦比，这个参数就可以大大降低，这个就是减少波阻的一个最佳的途径。因此，就出现了三角薄翼飞机。
另外一个优点呢，三角薄翼飞机呢，它相对于后掠翼，我们刚才前面讲的后掠翼飞机来讲，在同样的机翼厚度和弦长比值的情况下，它跟机身对接那部分的高度是比较高的。对三角翼来讲，它的高度是比较高的。这部分结构高度可以用来干很多事情，比如我可以在这里面放起落架，我可以在这里面装油。因此，有这两个优点以后，人们在飞机上就采用了三角薄翼。
人们就想了，刚才我们也讲过了，在飞机速度比较低的时候，采用平直机翼的飞机比较好，人们经过研究以后，发现什么样的平直机翼，对低速来讲最好的呢？是展弦比，就是它飞机的展长和弦长的比值在5到6的时候，这种机翼对低速特性是比较好的。我们刚才讲到，在飞�