刘沛清教授专栏：超临界机翼

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北京航空航天大学刘沛清教授

超临界机翼是采用特殊翼剖面设计的机翼。它能提高机翼的阻力发散马赫数（Madd），使机翼在高亚声速时阻力急剧增大的现象推迟发生，由此得到的翼型被称为超临界翼型，这是由美国科学家惠特科姆（RichardT. Whitcomb,1921～2009年）于 1967年首先提出。其形状特征是前缘较普通翼型钝圆，上表面平坦，下表面接近后缘处有反凹，后缘薄，而且向下弯曲。气流绕过普通翼型前缘时速度增加较多(前缘越尖，迎角越大，增加越多），在翼型上表面流速继续增加。翼型厚度越大，上表面越向上隆起，速度增加也越多。飞行速度足够高时，翼型上表面的局部流速可达到声速，这时的飞行马赫数称为临界马赫数。飞行速度再增加到一定程度，上表面便会出现较强烈的激波，引起气流分离，使机翼阻力急剧增加，此时的马赫数称为阻力发散马赫数（Madd）。对于普通机翼而言，阻力发散马赫数通常大于临界马赫数5%到10%。而对于超临界机翼，这个阻力发散马赫数明显大于普通机翼的（比普通机翼的大于7%～10%）。在同样Madd下，超临界机翼的相对厚度比普通机翼的提高30%～50%，这样可以在不增加重量的条件下，提高飞机的强度和刚度，增大展弦比和升阻比。

为了保持飞机飞行的经济性，飞行马赫数不宜超过阻力发散马赫数。想要提高飞行速度就得设法提高机翼阻力发散马赫数。超临界翼型的出现并使用，减弱了强激波产生的阻力，取而代之的是一道弱激波，从而减小了飞机的阻力。惠特科姆在大量风洞试验的基础上，发现机翼上表面越是平坦，则流过其表面的激波越弱，这是今天各种类型超临界翼型所共同拥有的一个特点。

美国空气动力学家惠特科姆在做风洞试验

跨声速翼型绕流

超临界机翼由于具有较高的气动效率、较高的巡航马赫数及较大的机翼相对厚度而被广泛应用于新一代民用客机及军用运输机上，这种翼型也被用于设计超临界机动战斗机的试验中，致使二十世纪八十年代之后，几乎被所有跨声速飞机所采用。

普通翼型与超临界翼型外形、厚度及弯度对比

超临界翼型与普通翼型阻力发散特性及其压力分布

伴随着世界民航市场的蓬勃发展以及跨声速空气动力学的进展，超临界翼型的概念自提出以来经历了概念发展、理论成熟、设计与实验到型号应用的全阶段，完善并积累了大量成功的型号使用经验。仅NASA公开发布的超临界翼型族就有三代，而包括波音和空客公司在内的世界各大飞机设计公司内部开发并使用的翼型族就更多更先进了。自空客公司在A320上首次成功采用超临界机翼以来，其后研制的A330、A340、A380、A350均采用。美国波音公司的B737～800、B747～8、B787等也均采用超临界机翼。

空客飞机典型翼剖面