一、引言

 2020年3月，一篇原发表于《环球科学》公众号的文章：《飞机为什么能飞起来？直到今天，科学家仍然没有答案》（埃德·里克斯撰稿、白晨媛翻译、吴子牛审校），在有关中文网络媒体上迅速流传开来。飞机为什么能飞起来仍是“未解之谜”，这个消息，可谓是一石激起千层浪。文章开篇就说到：“一个难以置信的事实是：尽管莱特兄弟在100多年前就将飞机开上了天空，但直到今天，人们仍然不清楚，飞机是如何飞起来的。”对于航空人而言，这个结论有点刺耳，但不幸的是：这是一个事实。

从事航空事业的人，几乎从踏入航空大门第一天起，就认识了近三百年前的丹尼尔·伯努利这位瑞士老先生，因为他在探究流体力学原理时指出：流体的压力会随着速度增加而减少，反之亦然。他的这个结论后来被称之为伯努利原理，并且在航空事业发展以后，被用来指导飞机的机翼产生升浮力的设计。因此，早期飞机的机翼，都设计成横剖面呈半水滴型的几何结构。根据埃德·里克斯的这篇文章介绍，爱因斯坦对此设计也是做出贡献的。

此后，我们所有学航空的人都被这个理论体系告知：气流到达机翼前缘后分开的气流，一部分经弧形的上翼面而到达机翼后缘，一部分经平直的下翼面到达机翼后缘。根据伯努利原理，流体的机械能守恒。因此得出气流在通过机翼上下表面时，同时到达机翼后缘交汇，从而实现能量守恒。按这个原理，则流经路径更长的上翼面，气流速度需要加快，才能和下翼面的气流同时到达机翼后缘，因此气流在经过机翼上翼面时，速度加快、压力下降；气流在流经机翼下翼面时，则保持原有速度，流速比上翼面慢。则根据伯努利原理，下翼面的压力比上翼面的压力高，从而使上下翼面出现压力差，机翼因此产生了升浮力。可是这样的理论随着航空事业的发展，出现了无法解释的矛盾，最典型的莫过于飞机在翻过来倒飞时，这时弧形的上翼面向下，而平直的上翼面向上，但机翼仍然产生了升力，这就颠覆了伯努利原理的论断。后来，很多高速飞机的设计，都采用了机翼顶部和底部曲率相当的对称翼型的设计。

很显然，这种情况使得伯努利原理用来解释飞机产生升浮力就非常牵强，甚至是错误的。之后对飞机为什么能飞的理论研究，还是有所发展的，但却始终未能破解飞机为什么能飞之谜。关于这一方面的情况，埃德·里克斯（Ed Regis）的这篇文章作了非常系统的介绍，本文就不作赘述了。

那么机翼能产生升浮力的真正原因是什么呢？本文把笔者的研究结果作如下分享：

二、拟涵道效应

人类在对飞机为什么会产生升浮力的问题做研究时，陷入了一个思维误区，即始终只考虑大气和飞机之间的关系对飞机产生升浮力的影响。一百多年来，人类从未改变过这样的思维定势，并陷于其中难于自拔，从而使飞机为什么能飞的问题成为难解之谜。

实际上，大气层是地球的大气层，飞机与大气之间的关系自然要研究，但是飞机与地球的关系就更重要，飞机就是要摆脱地心引力才能飞起来。所以地球的因素，是飞机为什么能飞行的问题中，最为重要的基本要素这一，地球与飞机之间的关系不能不考虑。只有把地球这个条件引入飞机升力体系中之后，使飞机为什么能飞行的关键条件完善了，我们才能破解这个谜。

当飞机在地球大气层中飞行过程中，无论飞机在大气空间处于怎样的高度飞行，第一个要考虑的关键要素是地球对飞机的作用。众所周知，地球引力是阻碍飞机飞上天空的，飞机要飞上天空，必须有能量克服地球引力的影响。但是地球对飞机的影响除了地球引力之外，还有一个重要的因素，即地球表面与大气中飞机的关系作用是怎样的？而这是一直被人们所忽视的，迄今为止没有人考虑过这个因素。实际情况是，无论飞机飞得多高，其飞机翼下与地面之间始终存在着一个类似涵道的形式。这种类似涵道的形式，我们不妨给它一个专门的名称：即“拟涵道”。“拟涵道”这样一种类似涵道的相对空间位置，是一种受限状态的空间，这个空间一旦形成，就会形成一个“拟涵道效应空间”（如图一所示），并具有自己独特的效应。

图一

飞机在大气空间飞行时，机翼所产生的升浮力的第一种原因，就是由“拟涵道”效应形成的。其原理是：飞机翼下与地球表面之间所构成的“拟涵道效应空间”中的大气，在地球表面硬性阻尼的作用下，使得“拟涵道”空间里的大气处于受限状态，这个区间内的大气受限于地球表面和机翼之间，从而导致这个区间内的大气垂直密度增加。飞机在飞行中，在飞机翼下迎流攻角的冲压作用下，出现了压缩聚合气流，从而使气流压强随之增大，并向地球表面传导。在地球表面硬性阻尼和地球引力的综合作用之下，使这个区间内的大气，其气体分子形成密度积累状态，这种情况就使整个区间的大气，产生了垂直的气相阻尼效应的抬升现象。这种现象使飞机翼下产生的流体压强力，与地球表面抬升的气相阻尼力构成受力面重合，并形成相互反作用力。在这里，可以用牛顿第三定律解释。当地球表面抬升的气相阻尼面所形成的力，在飞机翼下产生的流体压强力向地球表面传导时，瞬间就把飞机翼下冲压大气产生的流体压强力回弹到飞机翼下，从而对飞机机翼产生了压强升浮力。对压强力的回弹力越强，飞机翼下的升浮力也就越大。

以上所描述的就是“拟涵道效应”。也就是说飞机在飞行中与地球表面构成一个“拟涵道”，在这个“拟涵道”中的大气是受限被压缩的，并依靠着地球表面的硬性阻尼作用，从而使受压缩空气形成一个垂直向上的力。当这股地面阻尼力，遇到飞机机翼冲压大气后所产生的、并向地面传导过来的压强力时，就把这个压强力反弹回飞机的机翼下表面，从而形成了飞机之所以能飞起来的第一种升浮力（如图二所示）。

图二

三、谷相附面层流效应

飞机在大气空间飞行时，从起飞爬升到稳定平飞，无论飞行中处于怎样的姿态，飞机翼下迎流攻角面，始终是呈现出冲压大气的状态，从而对大气产生压缩聚敛的作用。在这种情况下，会在迎流攻角面形成高密度的气流层，通常我们把这个高密度气流层称之为附面层。

迄今为止我们对附面层的理解，是紧贴冲压大气面的一层湍流气体，其厚薄可能有差别，先冲压到气体的飞机机翼前缘的部分可能会厚一点，之后应该是平滑连接到机翼尾缘逐渐变薄，但是实际情况却不完全是这样的。

首先我们要知道，飞机翼下这个附面层是起着导压作用的。当机翼下翼面的迎流攻角面，对大气产生压缩作用时，所生成的附面层，是由于机翼迎流攻角面与大气摩擦，从而形成阻尼减速的湍流附面层。随着飞机不断地向前飞行时，迎流攻角面的附面层逐渐增厚，形成一个附着于下翼面的高压气流聚集区。在机翼前缘的这个高压气流聚集区不断堆积增厚以后，聚集区压力越来越高，使得后续再来的压力较小的冲压气流受阻，迫使这部分后续气流，只能沿着已形成的气相聚集区（附面层）底部的边界，向机翼后方运动。当后续气流接触到飞机下翼面时，由于受飞机下翼面硬阻尼的影响之后，又形成附面层，最终使附面层布满整个飞机下翼面。

在机翼下翼面附面层形成之后，附面层的气压高于后续来流的压力，因此所有的后续来流，都得绕过高压区，沿着附面层的底部进行运动。那么按此原理形成的附面层，并不是厚薄均匀的，而是形成了一个曲线峰谷形状的附面层。也就是飞机下翼面前缘部分最先接触冲压气流，并形成了湍流附面层，而且这个附面层越堆越厚，最后形成一个峰谷曲线形状，笔者把这个形状的附面层称之为“谷相”附面层，沿着这个“谷相”附面层底部边界流动的气流，我们称之为“谷相流”（如图三所示）。

图三

由“谷相流”运动产生的流体压力，通过“谷相”附面层传导给机翼，形成的抬升作用，就使飞机机翼产生升浮力。整个这个过程就是“谷相附面层效应”，或也可称为“导压谷相效应”。

综上我们可知，飞机机翼产生升浮力的第二个原因是：机翼迎流攻角面，在冲压大气受到压缩聚敛的作用下，迎流攻角面与来流大气摩擦产生阻尼效应，从而在迎流攻角面的区域形成高密度阻尼附面层的气相。随着后续冲压气流的不断介入，由摩擦阻尼形成了湍流附面层，造成后续来流减速并不断堆积增厚，在机翼下形成一个下沉谷状附面层。笔者根据其形状的呈相如峰谷，称之为“谷相附面层”。

由于这样的高密度导压“谷相”附面层的形成，那么飞机机翼迎流攻角与高密度导压谷相附面层就在机翼下形成了“气相增角现象”，相当于使飞机迎流攻角冲压气流的角度增大了，从而形成了大迎角气相阻尼面。并把冲压大气的阻尼动能转换成抬升力，同时由气相阻尼角后的高密度导压谷相附面层导向飞机翼下，使机翼在大迎角气相阻尼抬升力作用下，形成流场气相的阻尼升浮力(如图四所示）。我们把这种由谷相附面层迫使冲压气流绕过谷相附面层后转变流向，从而使气流攻角增大的角度称之为“谷相攻角”。

图四

从以上谷相附面层流效应我们可知，飞机飞行中机翼的升浮力，实际上和机翼的翼形结构关系不大，在飞机采用半水滴形剖面机翼，飞机翻过来倒飞时也能正常飞行，就足于说明这个问题了。而且，也不像用伯努利原理所解释的那样，气流是流经机翼上表面路程长，流经机翼下表面的路程短，恰恰相反，由于存在谷相附面层的缘故，气流实际流经下翼面的路程比流经上翼面更长。虽然飞机能飞和机翼翼面的构造关系不大，但和攻角的关系很大。实际上中国古代就发明了风筝，并没有什么翼形，就一个平板而已，但是通过牵绳控制了与气流形成合理的攻角，结果轻而易举地就飞了起来。风筝能够飞起来，只符合了两个效应原理，一个是拟涵道效应原理，再一个就是谷相附面层流效应原理。这两种效应原理综合起来，就是“涵谷效应”原理。

那么为什么机翼上翼面压强会小呢？这是因为通过机翼上翼面的冲压气流，由于天空上面没有地球表面的硬性阻尼界面存在，整个上翼面的空间是不受限制的，自然也就形不成“拟涵道”效应空间，也产生不了高密度导压谷相附面层流效应，其大气密度及大气压强均低于翼下的效应大气。当然，机翼横向剖面为半水滴状结构还是起到了一定的作用，但却与伯努利原理的解释无关。其具体原因如下：

当机翼横截面设计为半水滴状结构时，机翼上部呈收敛形凸起面对大气的阻尼面积是一个迎流的弧面。当大气流经弧面后，随机翼面形成了类似虹吸效应力的气流，笔者把这种现象称之为“低阻虹压”效应。对此，在埃德·里克斯的这篇文章中提到了，麻省理工学院流体力学教授马克·德雷拉（Mark Drele）指出“如果这些流体团瞬间偏离机翼上表面，它与机翼之间的空间就会形成真空，这个真空会把流体团吸下去，直到真空基本被填满”。而这就是笔者所说的“低阻虹压”效应。德雷拉接着解释到：这些被真空吸下的流体团“直到它们的流动的方向再次与机翼正切，这就迫使流体团沿着机翼形状移动的物理机制。局部存在一个轻微的真空环境，就能使流体团沿着弯曲的机翼表面流动”。笔者认为，德雷拉的这个解释是正确的。

在这种情况下，对翼面产生的流体压强力和翼面对气流产生的阻尼摩擦力都比较小。因此，上翼面基本上不会出现抵消下翼面升浮力的压强力；也不会形成附面层摩擦力，影响不了下翼面产生的升浮力。所以现代飞机的设计，很少再是按半水滴状剖面的翼型设计的了，更多的是采用对称翼型设计，只要机翼形成一定的攻角，上翼面就会出现“低阻虹压”效应。虽然机翼上下翼面的附面层都是湍流，但是压力是不同的。在“拟涵道效应”和“谷相附面层流效应”作用下的下翼面湍流呈正压，而在“低阻虹压”效应作用下的上翼面湍流呈负压。所以上下翼面的压差构成了升浮力（如图五所示）。

图五

此外，笔者还需要回答一个问题，为什么经过上翼面的气流比经过下翼面的气流先到机翼后缘。当流经机翼上下翼面的气流在流速相等时，由于流经机翼下翼面的气流，因为要绕过高压的谷相附面层，形成了谷相流，其流程路径呈较大曲线状态，流程沿曲线加长了。而流经机翼上面的气流，由于机翼上面是开放性空间，没有附加的效应，基本上是沿机翼形面运动，流程路径相对机翼下面较短。所以，流经机翼上下翼面的气流，在其流速相等时，则机翼上翼面的气流，要快于机翼下翼面的气流通过机翼。

四、结论：飞机产生升浮力的原因是“涵谷效应”

飞机之所以能飞，是由于“拟涵道效应”和“谷相附面层流效应”这两种效应共同作用后，形成靠地球表面一侧的飞机翼面压力，高于靠外太空一侧的飞机翼面压力，由两个飞机翼面压力差形成了飞机的升浮力。以上两种效应可以合并称之为“涵谷效应”。所以最后的结论是：飞机之所以能飞，是因为涵谷效应的作用形成的。

埃德·里克斯在他发表的文章中提到，美国力学家道格·麦克莱恩（Doug,Mclean）曾指出：在一个被称为压力场的大区域内，机翼会对气压产生影响。当产生升力时，机翼上方总是会成为低压的扩散气团，机翼下方通常形成高压的扩散气团。当这些气团作用于机翼时，就构成了对机翼产生升力的压差。他可以说已经发现了飞机飞行的一些客观状况，可惜他也是由于思维惯性，未把地球表面的作用因素考虑进来，最终还是没有发现“涵谷效应”的作用，就差那么临门一脚，最后仍与发现飞机为什么能飞的原理擦肩而过。

（作者史瑞华为中国航空学会会员，林左鸣为中国航空学会理事长）