翼型系列 4：選用翼型

這是一個我們經常能夠見到的機翼剖面形狀， 它的身影出現在各種教科書、航空飛機原理解說圖鑑、大部份螺旋槳飛機、以及各種航模遙控飛機上面。 它的優點就是各項性能參數中庸，沒有特別突出的部份，也沒有什麼明顯的缺點， 當你遇到一個需要選用翼型的情況，卻還沒有特別想法的時候，通常選它就對了！

高翼弧的機翼一般都用在低速用途上， 因此當你看到什麼飛機的機翼它比例上很厚的話，就表示它的翼弧很高很彎，基本就能知道它是適合低速飛行的； 如果你看到的機翼不只厚，下翼面還內凹的話，那就知道它的飛行速度多半是慢中之慢。 低速翼型的設計重點往往在於高攻角，這是因為升力與氣流的動能(也就是速度)成正比， 當速度低的時候就必須要抬高攻角才能產生足夠的升力，因此才讓較高攻角範圍的性能成了重點。

給初接觸機翼的人一個小提示：要看懂高翼弧機翼的原理，請不要把它放平來看， 而是應該把它擺一個比方說 10 度、20 度的攻角再來觀看。 高翼弧機翼的除了尾部往下彎曲之外，重點也在於頭部往下彎曲， 這是為了讓頭部在高攻角的情況下能夠更好的貼合於迎風氣流，減小氣流在頭部的動能消耗。 將氣流順暢的接進來之後，再用一個圓弧路徑將氣流和緩的改變方向， 因此就自然形成了這種高彎曲度的機翼剖面形狀。

這種帶有高彎曲度的翼型，可以在低速的時候配合適當的攻角大量偏折氣流而產生升力， 是低速加上高升力需求時的一個極佳選項，然而這似乎是它唯一的優點了。 在之前的解釋中 ^[2] 我們可以知道，這種高彎曲的翼型加上高攻角便會容易發生失速， 當速度夠低的時候因為撐得住，所以無妨； 但當速度往上提高之後，它的失速攻角就會比其他機翼來得低。 但缺點不止於此，在速度逐漸提高起來以後，升力也會因此而提高， 也就是說這時要維持飛行所需要的升力，其實只要相對較小的攻角就能夠提供了。 然而比起其他翼型同樣處在低攻角的狀態，這種高弧的翼型卻讓氣流彎彎繞繞，平白增加了阻力。 簡單的說就是這種高弧的翼型可以在低速條件下有效提供升力， 但在脫離了低速範圍後便處於不利的情況，白話意思就是不適合高速。

除了空氣動力上的性能以外，這種漂亮的弧形同時也在告訴你它的加工製造較為繁複困難， 而且相比於前面的普通翼型下翼面是個平版，這種翼型的上下翼面可都是曲面。 另外，下翼面的向內凹陷也導致機翼內部空間被壓縮，當需要利用機翼內部空間的情況下， 比如裝載燃油、攜帶設備或武器等，此時它內部空間較窄小小的缺點便會顯現出來。

總結就是這種翼型極其適合在低速場景下需要高效產生升力時使用， 特別如果對機翼內空間需求比較低、或無需利用機翼內部空間的話，這就會是個極為適合的方案。

如圖所示，這種翼型與前面介紹的高弧翼有異曲同工之妙，只不過人家是往內凹，而它是往外凸。 相同的是，它們倆都更容易發生氣流分離、都適合在較低的流速下運作， 不同的是前一種內凹翼型能高效產生升力，而這外凸的翼型基本產生不了太多升力。

這種翼型的主要優點是提供了大量的內部空間，可以容納更多東西填充在裡面； 事實上上圖是一個螺旋槳較靠近根部的翼剖面形狀，因此利用了它結實又方正的形狀提供了整根槳翼的結構支撐。

這種翼型是一種彎曲弧度更為誇張的內凹翼，因此我們知道它是為了極高效產生升力(轉矩)的目的而存在； 看它尖尖的前端，我們知道它是被設計在特定攻角下高效運作的存在。

事實上這是用在航空引擎渦輪葉片的翼型， 相較於飛機機翼可能因為不同飛行狀態而希望機翼能夠適應較大範圍的攻角區間， 渦輪葉片只需在特定攻角下工作，但是要非常高效的產生升力。 因此可以讓它頭部變得比較尖銳，好最大限度的減少前端氣流的消耗， 而高弧度的彎曲形狀就是為了盡可能最大限度產生升力的目的， 白話說就是盡其所能將氣流的動能壓榨出來變成轉動力矩(升力)。

可是按照前面解釋的邏輯，這腫大彎曲的翼型應該適用在低速的環境下才對，為什麼渦輪能夠用上它呢？ 這樣不會氣流分離導致失速嗎？ 這就要提到它工作的環境了，在航空引擎的渦輪段工作的它， 其實這個區段的空氣是剛被加熱過的高壓空氣，然後一路在膨脹， 因此渦輪葉片才能夠使用這麼大的攻角來工作而依然保持氣流不分離。

這也是在航空引擎內的葉片翼型，不過不是在渦輪段，而是在壓縮機段。 它尖尖的前端告訴我們它也是被設計在特定攻角下高效運作的，事實上也真是如此。 (壓縮機葉片適用的攻角區間很窄，因而強化了這樣那樣的問題。這是一個伏筆，先挖個坑，以後有機會填上) 雖然這翼型很薄很平，但還是看得出來它是內凹的弧翼， 因此它的用途也是為了高效產生升力(高效消耗軸的轉矩)，事實上也是如此。 不過與渦輪葉片相反，它是工作在一個空氣不斷被壓縮的區間，因此更容易發生氣流分離， 這使得它的整體翼面被坡度設計的更為平緩，能夠正常工作的攻角範圍又窄又低。

這種翼型是為了高速飛行而設計 — 不過這裡的高速指的是次音速範圍內的高速。

在高速的情況下，其實機翼只需要較小的攻角就能夠產生所需要的升力， 而中低速那些彎彎繞繞的翼型在小攻角狀態下用處不大，還會附帶產生好多阻力。 因此這些高速翼型就被設計的比較平緩而沒有過於誇張的彎曲度， 使它在滿足所需要的足夠升力之下儘量減少阻力的產生，最後就成了類似上圖這種長相的翼型。 除了翼型曲面比較平緩之外，另一個可能更加顯著的特徵就是， 這種翼型最厚的地方大約在弦長的一半位置，而非如傳統翼型的最厚處靠近前端 1/4 處。

這種翼型的優點就是在高速狀態下阻力較小，在低攻角狀態下阻力更特小， 這使得選用了這種類型翼型的 P-51 野馬戰鬥機，之所以能夠擁有高飛行速度和超遠航程優勢的其中一向關鍵技術。 另一方面，這種翼型的優點都體現在高速且低攻角狀態下， 一旦攻角拉起來(比方戰鬥機在戰鬥中的機動動作)，則它的表現相比其他傳統翼型並沒有特別優勢； 特別是在低速狀態下，它往往不能提供足夠使用的升力！ 不過倒不用擔心使用了這種機翼的飛機在低速下會不會墜機的問題，因為還有高升力輔助裝置的存在， 不過那是另一個話題了，暫且不展開。

簡單總結： 這種高速翼型的優勢在於低攻角下的高速巡航能力，至於在低攻角範圍以外的性能表現則顯得普通； 罩門則在低速狀態下產出升力的效能低落，需借助其他輔助設計的幫忙。

這種看起來奇怪的翼型，可能會讓初入門航空空氣動力學的人看得有點摸不著頭腦。 其實它的設計目的與前面說的高速翼型相似， 只不過前者的高速翼型只是為了在(次音速的)高速範圍區間內使用； 而超臨界翼型則是為了在次音速範圍內，頂著能多快就多快的最高速限飛行！

當物體在氣流中以音速或超音速的速度行進時，就會產生超音速領域特有的「震波」現象。 對於震波的原理和影響等等需要至少一個以上的主題來探討， 所以這裡我們暫且先把震波的具體細節放一邊(又挖了一個坑)， 只需要先理解為：一旦發生震波就會出現各種妖魔鬼怪，總之很不好就對了！ 有了上述的理解後，這種翼型的設計目的便浮現出來，那就是： 在不許出現震波的前提下，能容許飛的愈快愈好！

機翼、或任何物體在氣流中行進時，氣流都會在物體表面的不同區域增速或減速。 意思就是說，即使這個物體在跑的很快的時候， 雖然本身還沒有達到超音速的速度，但是它身上某些局部氣流可能已經到達、或超過音速了。 這就導致一個現象：雖然此時該物體的移動速度其實還沒達到音速，但是卻已經出現了超音速才會出現的問題， 對於這種狀態有一個專有的名詞叫作「穿音速」(transonic)。 如果有一個物體它的表面氣流加速減速效果比較劇烈， 那麼也許它本身的行進速度只有 0.7 倍的音速(即 0.7 馬赫)， 但是它身上的某個部位可能已經被加速達到了音速(即 1.0 馬赫)，就會開始出現震波。 那麼如果另一個物體它的表面氣流加減速比較緩和的，那麼也許它的本體速度要達到 0.8 馬赫的時候， 它的某個地方才會開始出現震波，那麼這個物體它就可以跑的比前一個物體更快一些！ 而這其實就是超臨界機翼的設計重點： 儘量讓機翼的氣流加速程度減少，使它可以壓在不產生震波的邊緣飛行，能飛多快就飛多快。

回顧之前的解釋內容 ^[2] ，我們知道氣流在機翼上表面會被加速， 而且機翼上表面彎曲的愈厲害，則氣流加速愈多。 使用一般翼型的飛機也許在飛行速度達到 0.7 馬赫以上的時候就會面臨與震波有關的問題， 開始出現油耗大量增加但速度基本不會增加的現象、 以及飛機難以控制或無法控制等問題(後面這個問題倒不一定會出現，具體要看飛機的操控設計)； 而使用了超臨界翼型的飛機則可能可以將這個速度的極限推展到 0.85 馬赫， 意思就是在同樣的油耗下，能飛的比其他人更快！

為了延後機翼上表面震波的產生，就要降低氣流在上表面的加速效應， 這就是為什麼超臨界機翼的上表面會如此平坦的原因，比前一個介紹的高速翼型還要再更平坦， 感覺幾乎可以在上面煎蛋。 但是與高速翼型一樣，翼型平坦了就會導致產生升力的效果降低， 為了彌補這缺點，於是就在下表面做了文章，反正下表面原本的氣流效應就是增壓降速，因此經得起折騰。 這就是為什麼機翼下表面的後段會往裡面這麼內凹一下的原因，就是為了增加將氣流轉折向下吹的效果。 但是也因為大量的氣流在機翼後部位置被折轉向下，因此尾端會產生一個較大的上翹力矩，使飛機的低頭趨勢變大， 不過這是飛機平衡和配平最佳化那方面需要去傷腦筋的事情了！ 總而言之，超臨界翼型的特徵就是上翼面極其平緩，然後頭部比較大些， 機翼最厚處與高速機翼同樣在大約中間位置，並且在下翼面尾段有一個明顯的內凹形狀。

來到結論， 這種翼型的優點(可能也是唯一的優點)在於可以在合理的阻力範圍內，容許飛行極速更加接近音速。 它的設計理念延伸於高速翼型，但更加極端； 如果只是要飛的快的話其實用不著它，但如果要飛到最快(但又不想超音速)就需要選它。 而它的缺點也和高速翼型一樣，高攻角性能不突出、低速下升力不足，因此在低速時也需要其他輔助設計的助力， 此外還多了低頭力矩大，使飛機的平衡負載加重的副作用。 因此選用這種翼型的飛機幾乎都是高速巡航的大飛機，例如近代的幾乎所有大型客運飛機等， 但出了這個應用領域就罕見選用此種翼型。

前面我們介紹的所有翼型都有一個共同點，那就是都是為了正飛的目的設計的，因此正著飛的效果各有各的好； 但是一旦上下倒過來飛，情況就讓人有點不忍直視了！ 如同我在之前的解釋內容 ^[2] 所說，各種形狀只要能夠導氣就能夠產生升力，差別在於產生升力的效率和成本。 所以毫無疑問的，所有翼型倒著都能夠產生升力，只是看具體翼型的不同，有些的效率可能過於慘不忍睹！ 不過一般來說這個問題並不大，因為通常倒著飛的機會不多，就算真的倒過來飛多半也是暫時的， 甚至有些飛機根本也就沒考慮過讓你翻過來飛的情況，所以一般不會特別在意這種情況。

不過如果在你的應用需求上經常會需要翻過來翻過去的飛，又不希望倒過來飛的時候效果太差的話， 就得考慮使用這種對稱的翼型了！ 這種翼型的缺點就是在正向狀態下的效率、阻力等等性能都不如前面那些翼型傑出， 但是優點是翻過來的時候性能也是一樣的，不會像前面那些翼型那樣性能直接往下掉。 因此選用這種翼型的飛機多半都是特技飛行用途的飛機。

不過前面說的是只應用在飛機主翼的情況，但其實除了主機翼以外的其它翼面如方向舵、穩定翼等等。 這種應用場所可能就不是分上下，而是分左右，而氣流從左邊吹來或從右邊吹來的機會都是一樣的， 因此在這些地方的翼型首選就是對稱翼型了。

相比於前面頂著震波即將出現的邊緣在玩火的超臨界機翼，超音速機翼就有點像是放棄治療了！ 在本體都已經超音速的情況下，震波是不可能不出現的。 於是乾脆破罐子破摔，既然震波橫竪避免不了，那就玩起來吧！

在震波主導的超音速世界裡，震波是能少一點最好、稍微斜一點不那麼正的震波更好， 而震波喜歡在有轉折的地方出現，那麼轉折的地方能少點就少點唄， 於是才會看到超音速翼型就是這麼簡單的一個菱形。 然後圓滑的頭部會導致阻力較大的正震波產生，所以頭部是愈尖愈好， 於是最終就長成了上圖我們看到的這種形狀。

這種超音速翼型經常可以在各種飛彈的彈翼上面看到， 此外還有部份超音速高速飛機也會採用，例如 F-104。 不過在飛機上的超音速機翼看起來比較不會是那麼標準的超音速翼型，而是較為折衷變化後的翼型， 因為飛機不像飛彈一股勁往前衝到底就好，飛機還得考慮在沒有超音速的時候性能也不至於太差。

最後我們來看看一個可能更常見，但一般可能更難被想到的翼型 — 平板。

平板翼在幾乎所有方面的性能數據都是敬陪末座，無論使用在何處幾乎都只有被嫌棄到死的份。 但就是這麼一個人人見了都說不好的翼型，卻有一項無與倫比的優點：製造簡單！ 所以在那些廉價、需求大量、對性能不太需求的用途裡，反而是這種翼型被大量使用， 反而成為了我們一般人在日常生活中可能最常見到的翼型。 比方說，當你在折紙飛機的時候，請問你會把機翼剖面折成上述哪一種精美的形狀呢？ 不，你一定只會折一片平板翼就結束了！ 當你需要製造一大堆用來製造彈幕的廉價火箭彈時，請問火箭彈的彈翼選用哪種翼型最合適？ 我猜你一定會只想要拿一片鐵板焊上去就完事了！ 更別提那些廉價兒童玩具、風向旗標翼片、冷氣出風口葉片、和各種廉價風扇等等， 平板翼型也許才是真正充斥在你我身邊的東西。