自1903年萊特兄弟發明世界上第一架飛機開始，人類對于飛機飛行速度的追求就從未停息過。飛機的外型對飛行速度有何影響？為什么飛機要設計成這樣？不同用途的飛機在外型設計上有什么講究？在中國科學院《科學公開課》系列抖音直播中，崔凱研究員就這些問題一一進行了解答。

崔凱是中國科學院力學研究所研究員，主要從事飛行器外形設計和優化工作。在2月22日晚8點的抖音直播中，崔凱從飛機的“體型”及其背后的原理、未來的高超聲速飛機“體型”等方面展開為大家普及飛機體型設計背后的科學原理。

“如果把飛機比喻成一個人，那么發動機就是心臟，結構系統是骨骼，飛控系統是神經，飛機的外形則是人類的體型。飛機看上去十分復雜，但是它在飛行時的基本受力只有重力、發動機推力、升力和阻力四個力。飛機的“體型”之所以不斷發展，就是為了更好地利用空氣動力，即升力和阻力的合力。崔凱以人做比喻進行講解，讓大家對飛機的結構有了直觀的認識。

崔凱在直播中介紹，飛機空氣動力主要來自于機翼上下表面的壓力差，這種壓力差在垂直方向上的差值形成升力，在水平方向上的差值形成阻力。空氣動力與機翼面積、飛行速度、升力與阻力系數這三個因素呈正相關，與空氣密度呈反相關。

目前，常見用途的飛機包括：追求速度與航程的戰斗機、追求經濟性的民航飛機和追求性能的超大容量運輸機。不同飛機的用途決定其不同的升阻比，升阻比越高，在同樣的條件下飛得越遠，并直接影響了機型，因此飛機機型的好壞只是相對的。

接下來，崔凱結合飛機的速度發展歷程解釋了飛機“體型”背后的科學原理。他介紹，早期的飛機受限于技術水平，只能使用螺旋槳發動機與木制的雙層機翼，升力系數小，飛行速度慢。后來，人們逐漸認識到雙層機翼飛機存在著重量大、阻力大等問題，需要更強有力的發動機、更輕且結實的材料和更合理的外型。基于此，飛機外形從雙翼外形向單翼外形的轉變產生。

而機身呈流線型且具備先進尾翼的單翼飛機又由于空氣存在可壓縮性，會受到增加的阻力從而減緩其飛行的速度。為了解決這種問題，科學家研制了后掠翼，即翼尖小翼技術。21世紀后，隨著飛行技術的快速發展，人們研制出了機頭尖、機身細長的超聲速飛機，它采用大后掠三角形機翼，極大地減小了飛行時的阻力，幫助實現超聲速飛行。頗具代表性的是如今飛得最快的“雙三”飛機——美國SR-71“黑鳥”。

在直播最后，崔凱結合自己工作的經歷，向大家介紹了高超聲速飛機的前世今生和未來發展。所謂高超聲速飛機，就是飛行速度超過5倍聲速、每小時飛行距離超過5000km的飛機，“如果真的可以研制出高超聲速飛機，那么地球真的變成了地球村。”根據國內外的經驗，超聲速飛機大多都非常扁平，內部裝載空間很小，只能用于飛行實驗或者特殊需求，無法滿足高超聲速飛機“飛得遠、裝的多、載的重”的使用需求。

為了達到高超聲速飛機可以載重物的目標，科學家們只好將它設計得“胖”一點。但隨著而來的是飛行器上方氣流壓縮增強導致阻力增大的難題。據研究，減少“垃圾氣流”的產生幾乎不可能，“既然回收不了，那可不可以進行回收利用呢？”經過崔凱研究團隊10余年的實驗探索，終于找到了答案：增加高壓捕獲翼。

高壓捕獲翼可以捕獲有害的高壓氣流，形成二次壓縮，而且理論上產生了更大的升力助力飛行。由于現在科學家們做的工作處于相對基礎的層面，要實現超高速載人飛行還有很長的路要走，但崔凱表示，相信在大家的努力下，設想一定會成為現實。

《飛機“體型”中的奧秘》是中科院《科學公開課》中的一期，該公開課旨在激發中小學生的科學好奇心、增長科學知識。據了解，該系列課程于1月25日起，每周二、四、六晚8點在抖音直播，其精彩內容還將以頻道合集形式納入抖音青少年模式，激發更多青少年學習興趣。用戶在抖音搜索“中科院物理所”，即可關注預約直播。