從折一架牛掰的紙飛機說開去：到底飛機怎麼設計才算好？

紙飛機，當然大家都折過。但是如果讓我總結如何能夠折出來一架牛掰的紙飛機，我可沒什麼好建議，唯一記得的就是紙要硬點兒，其他好像再也說不出來什麼了。

世界上目前為止，由人力投出來的紙飛機最遠可以飛行69.14m，這架創造紀錄的紙飛機是由來自美國的John M. Collins設計，由同樣來自美國的Joe Ayoob投出。

△飛機由Ayoob投出△

這架飛機雖然看起來並沒有與普通的紙飛機有什麼太大的不同，但是根據這架紙飛機的設計者Collins說，他從小就熱愛摺紙飛機，甚至於專門學習了日本的傳統摺紙技巧，通過無數次的嘗試才最終完成了這架打破世界記錄的紙飛機。而得益於非常優異的性能，在場的觀眾即便沒有經過什麼訓練也可以將這架紙飛機扔出去很遠。

△飛機本身似乎沒有那麼特殊△

當然，這架紙飛機能夠打破世界紀錄跟投手Ayoob的訓練有關，通過讓飛機獲得極快的速度、恰當的起飛角度可以很大程度上增加飛機的飛行距離。但是歸根結底，這架紙飛機是一架優秀的紙飛機。

先說飛機的“滑行比”

紙飛機飛得好不好，實際上很大程度上跟這架飛機的“滑行比”有很大的關係。所謂的滑行比是什麼？就是飛機在無動力飛行的情況下前進的距離和下降距離的比值。比如說飛機從100米的高空開始穩定滑翔，最終落地的時候水平前進了700米，那麼這架飛機的滑行比就是7。

我們知道，一架飛機在飛行的時候，由於飛機與空氣之間存在相對運動關係，飛機也受到空氣的作用力。其中，有一部分力是我們需要的，這個力垂直於飛行方向向上，我們稱之為升力，這個力會托起飛機；另外一個力平行於氣流方向，是阻礙飛機前進的力，我們稱之為阻力。

△飛機機翼在氣流作用下受到的力△

而如果簡單分析一下這架正在穩定飛行的飛機，顯然飛機由於沒有動力，所以就只受到重力、升力和阻力的作用，而如果只要有一點點的受力分析和幾何分析基礎就可以發現，這架飛機升力與阻力的比值就等於這架飛機的滑行比。

△飛機滑翔時候的受力△

於是我們就發現了影響飛機飛行更加本質的一個因素：飛機的升阻比。

升阻比是飛機設計中極為重要的一個參數

飛機的升阻比就是在一定飛行狀態下飛機產生的升力和受到的阻力的比值。

正如剛剛分析的那樣，其實一架飛機的升阻比代表了一架飛機“變廢為寶”的能力，一邊克服不需要的阻力一邊產生需要的升力，而這才是一架飛機得以起飛的最重要的因素。

飛機的升阻比受到很多因素的影響，比如說飛機的飛行姿態（也就是飛機與氣流來向之間的夾角，又叫做攻角），比如說飛機的飛行速度，等等。但是歸根結底，還是飛機本身的結構。

因素之一：機翼面積

這一點很好理解，當飛機在飛行的時候可能迎風面積是一樣的，所以阻力幾乎可以認為不變，這個時候增大機翼的面積可以讓氣流更好地產生託舉飛機的力，這就是機翼面積對升阻比的影響。

但是機翼面積越大，飛機也就自然而然得越重，所以對於一架重量確定的飛機，想要增大機翼面積已經很難了，所以這個時候我們要去動另外的腦筋了。

因素之二：展弦比

展弦比就是飛機機翼的長度比上寬度。展弦比越大就代表飛機機翼越細。如下圖所示：由左往右，飛機機翼的展弦比越來越大。

△不同展弦比的飛機（來源見圖片）△

之所以展弦比這個參數會對升阻比影響那麼大，很大一個原因就是飛機機翼的尖端會產生“翼尖渦流”。這是一種因為飛機機翼下方壓力比上方大而導致氣流會產生一個由下往上運動的趨勢。當飛機在運動的時候，氣流在這種趨勢的帶動下就會形成一個漩渦。

△飛機穿過雲層時產生的漩渦△

雖然這個漩渦很美，但是從能量角度看，飛機耗費寶貴的燃油讓空氣打轉轉，顯然會導致飛機飛行效率的下降，所以如何抑制翼尖渦流是一件影響飛機飛行效率，也就是影響飛機升阻比的大事情。而通過把機翼變得細長，可以讓渦流相比較於整個機翼變得微不足道，從而帶來良好的升阻比。

△大展弦比的機翼翼尖渦流影響較小△

比如說著名的U-2偵察機就是一種超大展弦比的飛機，從而獲得了良好的飛行特性。而世界上滑行比最高的飛機：Eta，只要看它的樣子你就能夠明白為什麼這架飛機的滑行比可以高達70。相比之下，紙飛機的滑行比/升阻比還不到1.5。

△滑行比高達70的Eta△

為什麼紙飛機不用大展弦比結構呢？

大展弦比結構千般好，萬般好，為什麼我們的紙飛機卻不用這種大展弦比結構呢？原因很簡單：紙飛機的機翼做得這麼細，早就沒有什麼強度了，“機身”上面粘著兩根紙條還怎麼飛行？

事實上，我們實際中的飛機也面臨了這個問題：想要把展弦比做大，但是飛機機翼強度不夠。比如說上圖中的Eta，機翼已經在飛行的時候彎的不成樣子了，如果再增加展弦比，恐怕機翼很容易折斷。

那麼有沒有什麼可以增加強度展弦比又能夠保證飛機機翼強度的辦法呢？有！那就是傳說中的封閉機翼——closed wing，也就是下圖的這個東西。

△封閉機翼△

為什麼用了封閉機翼就立刻解決了大展弦比的強度問題呢？簡單說，你只要把Eta滑翔機的機翼掰彎到飛機頂部（如下圖，假設賽亞超人的胳膊就是機翼），就是封閉機翼了。我們在這個過程中在保持大展弦比的同時，還避免了飛機機翼伸出去太遠，從而保證了飛機機翼的強度。

△封閉機翼是怎麼構造的△

當然了，這種封閉機翼的結構還存在很多其他的問題，目前只出現在一些概念飛機和試驗飛機上，離真正的商用還很遠。但是隻要了解了其中的道理，你就知道這種外形奇特的飛機其實背後有深深的空氣動力學的道理在裡面。

△封閉機翼飛機的全尺寸原型機△

尾聲

我們從摺紙飛機開始，說到了滑行比，又說到了升阻比，又說到了飛機的結構和強度，逐漸看到了飛機設計中需要考慮的問題。

不過這都是很淺顯的道理，也有很多的問題，比如說升阻比是跟飛機的飛行速度有很大的關聯的，對於一些需要超聲速、乃至高超聲速飛行的結構，大展弦比的飛機升阻比反而會極速下降，比如說我們看到的東風17就沒有長長的機翼。

△東風-17高超聲速飛行器△

所以，飛機設計很複雜，科學家、工程師們很不容易，大家看到滿天飛機的時候，要知道背後的諸多問題都是有無數人付出了大量的心血。