机翼是飞机产生升力的主要部件，亦是飞机气动设计的核心。了解机翼的结构对您成家立业，升官发财等事业大有裨益。

1903年，莱特兄弟制造了人类第一架飞机，从此拉开了人类轰轰烈烈的飞天之路。莱特兄弟寻思：反正以后的工程师会发明出更完美的机翼的，俺们就随便造造好了。所以飞行者一号的机翼相对简单。青木制造的机翼骨架由前后两根大梁和钢丝绳形成如同桥梁的桁架结构承受弯矩，蒙皮覆盖在翼肋上铺开以产生升力。

莱特兄弟与飞行者一号

莱特兄弟将布制蒙皮和木质骨架分离，前者产生升力，后者维持机翼形状。这种思路亦被沿用至今。

航空先驱莱特兄弟

指的注目的是，这些早期的机翼虽然简陋，和用烂木头片子拼起来似得，但也充分地认识到了机翼抗弯矩的重要性。故采用了类似早期桥梁的平行弦桁架式结构，以钢索连接上下翼面，将弯矩变为应力通过钢索传导至机身。这样大大地提高了机翼抗弯矩的能力，也奠定了双翼机+钢索的早期飞机基本外貌。

在平行梁桁架式桥梁出现之前，桥梁大多以拱为主体，采用多个拱串联的结构组成长桥。平行梁出现后，人类得以不依靠夸张的大拱就能制作桥梁。这也给机翼的出现奠定了基础

三个大叔正在展示桁架结构原理，旁边两位的胳膊肘子并不需要憋劲，只需要牺牲一下肩关节的健康。

机翼在升力作用下产生弯曲

俗话说，一年土，二年洋，三年不识亲爹娘。20世纪的前半叶是人类航空技术的爆炸期，飞行者一号所使用的大弯度薄翼型机翼剖面很快便被抛弃。随之而来的钝头厚翼型所带来的大功角优势让欧洲各国的军方心头起火，口角流水。

莱特兄弟在自制的风洞中测试的几种翼型，彼时的机翼尚处于对鸟类进行邯郸学步的过程中，多款翼型均为模仿鸟类薄薄的翅膀形状。

人类首架滑翔无人机兰利五号，可见其模仿鸟类的薄翼型大弯度机翼

1917年红男爵的福克DR1三翼机，整机全部涂成插标卖首的大红色。该机已采用比较现代的圆头厚翼型。此公连同座驾于1918年被一挺地面机枪一发击落。即使是王牌飞行员，被杂兵给一枪毙命的也大有人在.....诸行无常！

厚翼带来的攻角优势使大过载的空中格斗成为可能，同时也带来了一个问题：如何支撑厚厚的钝头机翼？

彼时飞机的时速已经向300公里进发，迎面来流呈泰山压卵之势，将脆弱的布质机翼前缘蒙皮压扁。顽强的人类怎容被区区气流搓圆揉扁，用于加强前缘的金属蒙皮马上被投入实用。辅以用于维形的桁架式翼肋和后部布质蒙皮，早期战机的机翼雏形已经出现。

翼肋维持机翼剖面形状的同时，也和桁条一起承担传递气动力至墙与梁的任务。一般铆接顺序为蒙皮-桁条-翼肋-梁缘

现代飞机已不止前缘是金属蒙皮，但前缘仍需特别加强，如图机翼前缘填充的蜂窝结构（黄色区域），为芳纶纸加强蜂窝。我国第一款自研战机歼12便采用了蜂窝结构加强蒙皮壁板。

用于加强机翼前缘的芳纶纸蜂窝

此时的翼肋尚且处于一体的状态，翼梁和翼肋均为简易的桁架结构，通过管材焊接成型。翼梁从翼肋的空隙间贯穿而过。

虽然桁架式翼肋翼梁强度较低，但现代某些中大型飞机仍采用桁架式翼肋翼梁

B17壮观的桁架翼肋

翼肋也不一定为平行安装，图中的交错安装可以提高一定蒙皮承受气动力的能力

很显然，这些东西焊的和脚手架似得的，实在难当大任，能够承担的气动张力实在有限。茕茕白兔，东走西顾，衣不如新，人不如故，桁架式翼肋在战机上没蹦跶两年，就被腹板式翼肋取而代之。不过至今仍有不少大型客机货机使用桁架式翼肋。

腹板式翼肋，图为后肋。腹板翼肋可通过钣金折弯作出单向缘条

腹板式翼肋通常被腹板式翼梁分割成数个部分

分体翼肋铆接与大梁之上

虽然机翼的发展已经进行了十多二十年了，但工程师们尚为跳出莱特兄弟时代对机翼强度的设计原则——即将机翼翼梁视为一根悬臂梁，以抗弯矩为主要目标。将机翼蒙皮与翼肋视为铺装了柔性外壳的框架，仅用于承受和传递气动力。殊不知土木工程师的两位死敌——剪力和扭矩也开始向机翼逼近而来。

机翼三大载荷——弯矩，剪力，扭矩

机翼一般在靠近质心处产生剪力集中破坏，早期木质机翼翼梁大多为简单的柱形直梁，没有设计墙和梁的腹板来抗剪

骍骍角弓,翩其反矣。兄弟昏姻,无胥远矣。早在三千年前，生活在中亚一代的斯基泰人就发现：木质弓的朝前侧往往容易出现裂纹，朝后侧往往容易出现褶皱。

典型的弯矩破坏，被拉长的一侧出现切向断裂

斯基泰士兵

斯基泰的工匠们为了解决这个问题，在弓片容易开裂的一侧黏上抗拉的动物肌腱，在容易褶皱的一侧黏上抗压的牛角。就这样，影响整个亚洲大陆数千年的角弓诞生了。当然关于角弓的研发过程并无明确记载，但对弯矩破坏的补强是大多地区出现复合材料弓的原因。

角弓弓片剖面图，角为内侧，受压，筋为外侧，受拉

梁弯曲情况下，内侧受压外侧受拉，中部保持平衡，弯矩从外表面到中性面逐渐减小。

通过微元法径向分割梁得到微段，每一段微段会因为弯矩的作用而绕着中性轴发生转动。

如上图所述，弯矩的分布是从外到内逐步减小的。要增加梁的抗弯矩能力，就需要如同在表面粘贴筋角的角弓一样，对梁的内外两侧进行加强。

虽然梁的中部由于没有延展或压缩，所以并不承受弯矩，但通过加厚梁的中部，可以使得梁的上下部分离中性面的距离增加，同样增强了梁抗弯矩的能力。

现代弓片中部的泡沫陶瓷夹层，其的弹性模量很低，并不能储蓄多少能量，储能主要依赖两侧的玻纤层（图中黑色部分）。但可以通过增加泡沫陶瓷夹层的厚度来增加弓箭的拉力。

梁的中部虽不是承担弯矩的主力，但也分担了许多剪力。防止上下翼缘板发生彼此塌陷

狗狗手中的书便是依赖书之间的摩擦力而保持不掉落，若将每本书视为微段，书的集合视为梁，则书之间的摩擦力也类似于微段之间的径向剪力（当然剪力不是摩擦力）

因胶合不当而产生轴剪力破坏内层弓片的复合弓弓片，外层抗弯矩层仍然完好

建筑中剪力墙的损坏

在此理论的指导下，加宽上下层承受弯矩，辅以竖直的中层承受剪力的工字梁横空出世。得此利器，怎又不叫工程师们兴奋的扯旗了？

不过此物比莱特兄弟还早了百多年出生。早期飞机发动机孱弱，追求桁架式的轻量化才是当务之急，还无法将粗壮的工字梁作为翼梁使用。

如图所示，虽然这个应该算是H钢的示意图。H钢的缘条远长于工字钢。缘条上剪力的径向流动受阻，基本是由腹板承受剪力

时间来到20世纪30年代，时机业已成熟，更大马力的发动机已经就位，是时候抛弃木头片子，进入全金属飞机的时代了。新时代的战机要拥有能够承受3-4G过载的强劲机体，打铁还需自身硬，轻巧而坚固的工字梁当然是建造全金属大梁的最佳选择。

本人拍摄的歼6机翼剖面，图中涂红区域为一体翼梁剖面

姊妹同肝胆，兄弟同骨肉。左右翼梁便是这一对兄弟，有时就连进气道也不能将他们分隔。通过中央翼梁连接左右两梁可以更好的提高梁的刚度。

横亘于米格17进气道中的中段大梁，这种极度影响进气道总压恢复系数的左右兄弟情义之梁在米格19上被取消。

F4U特殊的倒鸥翼弯曲一体中段大梁，形状之复杂使其造价极其高昂

中央翼梁

翼梁亦可以通过缘条铆接腹板制成分体式翼肋

当然，翼梁也不只有工字梁的形式，图为喷火战机翼梁上管截面，是个俄罗斯套娃式的同心方管。喷火战机是单梁机翼，每个翼梁由两根同心套管组成

喷火战机翼梁

先辈们创造的工字梁，也并非完美。工字梁是为了抵抗弯矩与剪力的特化结构，只着重了在扭转中心上施加载荷的情况，在扭转中心上施加的垂直升力不会使大梁发生扭转。不在扭转中心的载荷会使得工字梁陷入剧烈的扭转。

大梁腹板还可以做成波纹型进一步加强抗剪力的能力，在腹板上铆接加强筋也是常见的手段

工字梁的致命缺陷便是其的应力流在扭转时受阻，导致工字梁几乎无法承受大的扭转载荷。

工字梁的死亡螺旋

要减小梁的扭转，最好的办法就是将扭转中心与升力中心重合，尽量减小扭转的力臂。彼时的亚音速战机们，升力中心并非直觉性的在机翼弦线中心，而是更逼近机翼前缘。

亚音速下，机翼的升力中心位于机翼大约四分之一弦长处，并非弦长中心

喷火战斗机的翼肋，大梁将翼肋分割为前后两部。可见大梁大约位于翼肋弦线四分之一处

兵无常法，水无常形，升力中心哪有老老实实待在扭转中心旁边的道理？进入喷气时代，人类开始向超声速的领域跨进时，遇到了一道巨大的屏障：激波。

激波的出现使得机翼的升力特性发生了巨大的变化，此前升力中心都和乖仔一样在四分之一弦线处打转，超音速时跑到二分之一弦线附近了。这对机翼的抗扭性提出了巨大的要求。

超声速下升力中心后移至近二分之一弦长处，图为理想的超声速翼型。超声速下翼面上下压差主要由斜激波减速加压而成，和亚声速下依赖翼面进行气流减速进行加压不同。

超音速下的大黄蜂。图中的锥形云是膨胀波的产物，不是激波这种压缩波。膨胀波造成的凝结云不需要超声速也能出现

单梁式的机翼再也无法担此大任。多梁式机翼成了超声速飞机的必选配置，更多的梁意味着更强的扭转刚度，第一二代后掠翼喷气战机多用双梁结构。由于升力中心在亚音速时仍然靠前，所以前梁一般比后梁更加粗壮。

双梁结构的机翼

小型飞机常用的圆管翼梁，可见前梁比后梁更粗壮

当然，光是多梁还不够，应力没法在大梁之间流动，则气不能顺力不能支。要想让应力流通起来，就要给翼梁之间搭出桥来。由加强蒙皮搭出的桥和翼梁形成的盒段便能起到所需抗扭作用。

双翼梁和蒙皮围成的盒段使应力能够更好的流动。值得注意的是加强的机翼前缘与前梁围成的D字形盒段也有一定的抗扭能力。

扭矩转化为剪流传递

此时的蒙皮已经通过加入夹层以及铆接桁条的方式变得非常强壮，一改往日布质蒙皮的娇柔脆弱。再叫它蒙皮显然有些无礼，叫它壁板则显得更加合适

sr71黑鸟的复合材料层压尾翼蒙皮，可见多层材料和中部芳纶纸支撑网

作为壁板的好伙伴，桁条在提高壁板强度上功不可没。桁条通常用铆接的方法固定在蒙皮和翼肋上。

桁条并不连接机身，只连接翼肋和蒙皮。连接机身的构件只有部分纵墙和全部翼肋

开放桁条与闭合桁条，闭合桁条明显强度更高，但需要两道铆接。

桁条和翼肋共同组成了纵横交错的支撑网面，支持壁板承受气动力，并将力传递给翼肋。

桁条也有一定的抗弯矩作用，不止是图示的传递气动力

长桁和翼肋形成的方格状支撑网

现代飞机的壁板已实现将长桁与壁板合一，形成整体式壁板，与之对应的传统壁板则称之为铆接壁板。    

碳玻复合材料制作的机身整体式壁板，可见壁板上合为一体的长桁

歼-12采用的机身整体碳纤蒙皮壁板

整体壁板无需铆接长桁，大幅度减少了铆孔数量，提高了壁板强度，尤其是复合纤维制作的壁板，对破坏纤维长丝完整度的铆孔很不友好，故基本采用整体壁板。

整体式壁板的制造方法主要有：冷轧加工，机加工，光焊，复材一体成型等。比起组合壁板的只需钣金和铆接，整体壁板的每种工艺都不是省油的灯，工欲善其事必先利其艺。

传统铆接桁条对比光焊连接桁条

整体壁板减少铆孔的同时，也大幅度提升了壁板的密封性，使机翼整体油箱的密封性更上一层楼。早期的机翼油箱，多采用密封胶的方式进行密封，不仅容易钟鸣漏尽，更需要反复检查修补。

第二次大战中常见的埋头铆，需要顶铁进行墩头成型

铆钉的胶封与套封

拉铆工艺

用气动铆枪拉铆固定蒙皮，图为苏-57

油箱渗油的主要原因之一便是紧固件孔的渗油。为此需要减小铆钉等紧固件的使用量，提高紧固件的自封性。枪械通过大量的榫卯咬合，环环相扣，从而达到几乎不需要一颗螺丝。航空设计也在通过结构咬合来减少对紧固件的依赖。

歼-12原型机，采用了整体油箱技术。1985年，洪都机械厂在检查在野地废弃十余年，未经保养的歼12机体时，发现歼12的整体油箱保持完好，未有渗漏与变形，遂上报至三机部，使洪都机械厂获1982年度重大科研成果奖。

由于后掠翼在早期喷气机上的大放异彩，以至于后掠翼在一段时间内几乎成了超声速的代名词。但随着冷战空战环境的变化，各国空军都急需要一种翼展更小，后掠角更大，能够将主翼套入2马赫下的激波锥中，但又具备足够的翼面积能够应付短距起降的机翼。

较小的翼展使得主翼能够套入机头产生的激波内，大大的减小了波阻

三角翼正好能够兼容这几种特性，同时三角翼受涡流影响，使其有着后掠翼所没有的大功角优势，失速攻角更大便于起降和格斗。于是，以米格21为代表的三角翼喷气战斗机开始冲击传统的后掠翼，成了上世纪50年代新式战机的象征。

三角翼研究先驱 亚历山大·马丁·利皮施博士。此公便是F-102，P.13A（那个用机头创轰炸机的空中泥头车），ME-163的设计师

三角翼的诞生也带来了更多样化的翼梁排布形式。早期后掠翼全翼展弦长变化很小，基本上只能采用双梁式机翼，翼梁沿着展向布置。而三角翼的翼梁不仅不止两条大梁，还可以有多种排布方式。

三角翼可以沿机身径向布置多道横梁

三角翼的运用促使人们开始对各种翼梁翼肋的排布方式进行研究

径向多梁的设计和加强机身壁的使用，减小了每根梁的弯矩负载，使得翼梁的缘条可以相对缩小

由于梁数量的增多，每根梁可承受的弯矩也随之下降，机翼的主梁缘条逐渐变窄。形态上越来越接近纵墙。

单梁式机翼通常除了中央大梁外，通常还有前后两面纵墙帮助分摊剪力。

纵墙是梁的弱化版本，和梁一样沿着机翼展向分布，区别在于纵墙承受弯矩的能力很弱，一般用于承受剪力，增加抗扭性。并且纵墙根部可以不连接机身而只连接在第一肋上，而梁必须连接机身。

如图可见中央处的纵墙根部只连接第一肋，没有连接机身的接头。如图所示的机翼为客机等大型飞机的机翼，有三道翼梁，使用水平耳片，其中位于中央的翼梁与前梁的中部连接，形成类似人字形的结构。

早期战机机翼机身的接头通常为耳片结构，主要有水平耳片和垂直耳片两种，一般成对布置。现代先进战机如苏-57与f22亦采用传统的垂直耳片连接

苏-57主翼，可见多对垂直耳片

耳片连接方式

耳片亦可采用水平和垂直组合的方式，图中所示为两对水平耳片和一对垂直耳片的组合

纵墙也可称为假梁，纵墙的缘条很窄或没有缘条，主要承受剪力

翼梁可以直接在梁上铆接水平耳片。纵墙由于没有宽度适合的缘条，只能通过转接的方式连接水平耳片

由此而来的使用多根缘条较窄的梁，通常称为单块式机翼。与之相对的以宽缘条和较少的强壮的梁组成的传统机翼称为梁式机翼。第四代和第五代先进战机都以单块式机翼为主。

梁式的好处，便是能在机翼内容纳起落架。多梁式机翼和单块式机翼往往梁之间的空间太小，无法安排起落架舱。权衡之计便是在机翼外段使用单块机翼，在机翼内侧使用梁式结构以容纳起落架。

f16主翼，有十余根翼梁，无法在机翼内安排起落架。多梁机翼有强大的损伤容限能力，只要有一两根梁完好就能继续支撑机翼维持飞行。

有一必有其二，既然可以让翼梁缩小缘条，那么也可以直接取消翼梁的缘条，只使用纵墙。只是纵墙的抗弯矩能力很弱，需要机翼壁板和桁条来承担抗弯矩的大任。

风力发电机便是采取无梁结构，设置两道纵墙，墙上安装复合材料壁板。此类壁板一般称为梁盖（spar cap）

纵墙和梁需要转接机构以连接机身角盒，其中纵墙如不加转接则只能直接安装垂直耳片，垂直耳片对连接螺栓栓施加的是单纯的剪力，很容易造成连接螺栓的扭曲和破坏，但垂直耳片抗垂直载荷能力强于水平耳片。

垂直耳片的螺栓受剪力破坏

除了耳片连接以外，现代先进战机更偏向使用拉力螺栓式连接。f-104是使用拉力螺栓式连接的先驱，拉力螺栓式连接将弯矩以螺纹轴向载荷的方式传递到机身，不仅更易于拆卸，强度也更高。

f104的机翼，没有大梁，由13根纵墙加上钢制壁板组成，没错，不锈钢壁板....纵墙不直接连接机身，而是连在在第二道加强肋上，翼肋再连接五个翼根转接座，每个转接座通过4个螺栓连接机身，没有耳片

解放军击落的侵犯我国领空的U2侦察机机翼残骸，结构特殊，机翼没有大梁，依靠桁条和壁板抵抗弯矩。纵墙和根肋均不连接机身，而是在壁板上伸出的数个凸起上攻丝，用拉力螺栓直接连接角盒，角盒再连接机身隔框。这种靠壁板凸起连接机身的极端方式体现了U2极端减重的追求

U2机翼连接方式，可见角盒铆接与机身隔框上，螺栓再连接角盒 和 壁板的梯形凸起连接

角盒，现代航空中常见的转向连接件，常用在拉力螺栓式固定机翼上。图示角盒上的虚线十字为铆接位置标示，圆孔为螺栓穿过的通孔

传奇飞机设计大师凯利·约翰逊，上图的f104和U2皆是其的作品

拉力螺栓式连接的经典之作便是f-16。f-16类似U2，翼梁较弱且不连接机身，强化的碳纤壁板覆盖于梁肋上，其上再铆接4个三爪角盒，角盒以螺栓连接机身接口，接口形式类似f-104的上下四孔。

其与U2的区别在于U2的角盒铆接与机身加强框上，螺纹孔在壁板处攻丝。f-16的角盒铆接与机翼上，螺纹孔在机身处。

f-104根肋上安装的说明铭牌，如图可见f-104机翼共有5个安装座，每个座上下安装4颗拉力螺丝

f-16机翼装配示意图，从上到下1和5为角盒群，2和4为复合材料蒙皮，中部为铝制机翼主体

f-16所使用的三爪角盒，这大姐的衣服好土

角盒铆接于机翼上，可见每个角盒上有两个通孔

使用拉力螺栓连接机翼，拉力螺栓垂直机身轴向布置，主要承受拉力，受剪力较小，拥有良好的使用寿命并便于拆卸。角盒也同样起到了翼身融合的支撑作用

讲了这么多机翼的连接方式，有读者肯定要向我发难：唔个这么啰嗦，麻烦死嘞咯！当然，还有一种简单的机翼连接方式：让两机翼连一块，省去机翼连接机身的种种考虑。

鹞式战机，机翼和上半部分机身为一大块整体。其设计的目的为从机身中拆卸处无法从尾喷处抽出的飞马发动机

本文原创，如有谬误，还望斧正

Bye Bye！