3.2 升力与翼型
升力是飞机用以平衡重力飞上蓝天的最根本要求，升力的特性直接决定了飞机的性能，升力的特性与机翼的剖面形状——翼型直接相关。
3.2.1 奇妙的升力
在前面我们已经了解，飞机要飞上蓝天，产生升力是最为关键的一个要素。为此，我们有必要和大家一起探讨升力产生的原理。
介绍升力产生的原理之前，先让大家来做一个小小的试验：如图3-2所示，手持一张白纸的一端，由于重力的作用，白纸的另一端会自然垂下；接下来大家将白纸拿到嘴前，在纸的上面沿着水平方向吹气，看看会发生什么样的情况。结果是：白纸不但没有被吹开，垂下的一端反而飘了起来。这到底是什么原因呢？
图3-2 纸的吹气试验
流体力学的基本原理——伯努利定理告诉我们：流动的液体或气体中，流动慢的地方压强较大，而流动快的地方压强较小。基于这一原理，白纸上面的空气被吹动，流动较快，压强比白纸下面不动的空气小，因此将白纸托了起来。
伯努利定理在很多其他的场合也有应用。大家可能都听说过足球比赛中的“香蕉球”，在罚角球时，脚法好的队员可以使足球绕过球门框或守门员，直接飞入球门，由于足球的飞行路线是弯曲的，形似一只香蕉，因此叫做“香蕉球”。这股使足球偏转的神秘力量也来自于空气的压力差，如图3-3所示。由于足球在被踢出后向前飞行的同时还绕自身的轴线旋转，因此在足球的两个侧面相对于空气的运动速度不同，所受到的空气的压力也不同，正是这种空气的压力差使得足球按弧线运动，令守门员判断失误，使得足球射进球门。
图3-3 “香蕉球”产生的原因
基于伯努利定理了解了流速和压强的关系之后，我们再来看看机翼上的升力是怎么产生的。首先来看机翼的剖面——翼剖面，通常也称为翼型，是指沿平行于飞机对称平面的切平面切割机翼所得到的剖面，如图3-4、图3-5所示。翼型最前端的一点叫“前缘”，最后端的一点叫“后缘”，前缘和后缘之间的连线叫“翼弦”，翼弦与相对气流速度V之间的夹角α叫“迎角”（也称攻角）。
图3-4 翼型
1—翼型；2—前缘；3—后缘；4—翼弦
图3-5 翼型和作用在翼型上的空气动力
1—空气动力作用点；2—前缘；3—后缘；4—翼弦
要想在机翼上产生空气动力，必须让它与空气有相对运动，或者说必须有具有一定速度的气流流过翼剖面。大部分机翼的翼型，其上表面凸出，下表面平坦。现在将这样一个翼型放在流速为V的气流中，如图3-5所示。假设翼型有一个不大的迎角α，当气流流到翼型的前缘时，气流分成上下两股分别流经翼型的上、下翼面。由于翼型的作用，当气流流过上翼面时流动通道变窄，气流速度增大，压强降低，并低于前方气流的大气压；而气流流过下翼面时，由于翼型前端上仰，气流受到阻拦，且流动通道扩大，气流速度减小，压强增大，并高于前方气流的大气压。因此，在上下翼面之间就形成了一个压强差，从而产生了一个向上的合力R。这个合力的垂直向上的分量即为升力Y，向后的分力即为阻力D。机翼产生升力的原理还可以从另外一个角度来理解：气流流过机翼后，发生向下的偏转，即机翼给空气以向下的力使气流向下运动，根据作用力与反作用的关系，空气则给机翼以向上的力，即升力。
机翼产生升力的这一原理，还在帆船中得到了广泛的应用，能够帮助帆船逆风行驶，如图3-6所示。读者可以自己分析一下，帆船逆风航行的原因。
图3-6 逆风行驶的帆船
3.2.2 翼型
正如升力产生的原理所介绍的，机翼的升力来源于气流作用在机翼上、下表面的压力差。而这种压力差则直接取决于机翼的翼型。在另一方面，翼型还影响空气阻力的大小。翼型的升力和阻力特性的好坏，对飞机性能的影响是很大的。要想得到性能优良的飞机，首先要选择好的翼型。
3.2.2.1 翼型的描述
如图3-7所示，和翼型的上表面外形线（上弧线）、下表面外形线（下弧线）等距离的曲线称为中弧线，即翼型上下表面弧线内切圆圆心的连线。中弧线与上弧线和下弧线在前端的交点称为前缘，在后端的交点称为后缘，前缘和后缘端点的连线称为弦线，这也是测量迎角的基准线。中弧线和弦线的间隔称为弯度，其最大值的位置称为最大弯度位置。
另外，翼剖面在中弧线垂直的方向测量到的上表面和下表面的距离称为翼型厚度，其最大值称为最大厚度。对于普通的翼剖面，将垂直于弦线（除去前缘附近）的上下表面的距离作为翼型厚度差别也不大。翼型厚度沿弦线的变化称为厚度分布。翼型的最大厚度与弦长的比值即相对厚度。比如，厚度10%的翼型，表示最大厚度和弦长的比是10％。
从翼型的设计和分析来说，可以将它看成是由中弧线和基本厚度翼型叠加而成的［图3-7（a）］。基本厚度翼型，即将图3-7（a）中的内切圆的圆心都沿垂直方向平移到弦线上后，这些内切圆的外沿的包络线构成翼型［图3-7（b）］。
图3-7 翼型的弦线与中弧线
接下来对用于描述翼型的几个常用的关键要素进行简单归纳，如表3-2所示。
表 3-2 翼型的关键要素
图3-8 翼型的几何参数
3.2.2.2 翼型的分类
早期的飞机，由于人们没有体会到翼型的作用，所以，曾采用平板和弯板翼型。后来，随着理论研究和实践研究的不断深入，人们已经认识到翼型的重要性和它对升力所起的作用，因此，创造了很多适合各种不同需要的翼型，并通过实验确定出各种不同翼型的空气动力特性。
翼型的种类很多，为了便于直观地区分，通常可以将翼型分为双凸翼型、平凸翼型、对称翼型、凹凸翼型和S形翼型五大类，如表3-3所述。
表 3-3 翼型的分类
当然，以上的分类只是一个为了便于记忆和辨认的非常粗略的分类。在观察一个翼型的时候，最重要的是找出它的中弧线，然后再看它中弧线两旁厚度分布的情况。中弧线弯曲的方式和程度大致决定了翼型的特性，弧线越弯升力系数就越大。在进行设计时要想更准确地了解和比较翼型的空气动力特性，还需要获得不同雷诺数情况翼型的升力、阻力和俯仰力矩随迎角变化的曲线。这些曲线可以通过专门的分析软件计算得到，也可以通过风洞试验获得。这些曲线情况将在本章后面的部分进行介绍。