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飞机为什么能飞？ — 航空工程基础与航空史串烧
几百吨重的铁鸟怎么飞？
几百吨重的飞机是怎么飞起来的？相信很多人都会好奇这个问题的答案吧。其实几百吨的数字看起来很吓人，实际上和几何尺寸比较一下的话，就会发现飞机的“面密度”还是很小的：一辆大约有两辆皮卡车长，占满一整个车道宽，有三到四个乘员的现代主战坦克大约重 60 吨左右；而和它相同重量级的飞机得是一架几乎刚好能放进半个足球场里，能携带 120 名乘客飞行 6000 公里的波音 737。算下来波音 737 的每平方米翼面积需要产生半吨的升力才能在最大起飞重量下抵消重力，安全起飞。听上去还是不少，但应该比几百吨那个数字强多了。那么机翼是如何产生这么多升力的呢？
升力的物理本质：牛顿与压力分布
虽然有人会说“人类至今还不了解升力产生的原理”，但这个说法毫无疑问是完全错误的。升力产生的原理有点复杂，也有很多错误的解释，但已经被研究的非常清楚了。
牛顿第三定律对于任何形式、任何状况下的机翼都成立：为了让流过机翼的气流对机翼施加一个向上的升力，机翼一定要对空气施加一个向下的力。至于如何施加这个向下的力，就是机翼复杂的地方了。
一般的，我们把机翼的上表面和下表面分别称作吸力面和压力面：
压力面（下表面）：好理解一些，一般通过直接挤压并推动的方式对空气施加推力；
吸力面（上表面）：则通过流体动力学效应（包括附壁效应）对空气施加“拉力”。
修正一个常见的直觉误区： 在中低速、正常工作的条件下，吸力面（上表面）通常贡献了升力的大部分（约 2/3 甚至 70% 以上），而压力面（下表面）往往只贡献剩余的 1/3。在飞机抬头时，在一定范围内压力面的推力和吸力面的拉力会同步增加，使得在一定的范围内升力与机翼与气流的夹角（迎角 / 攻角，Angle of Attack，AoA）成正比，这也是为什么飞机起飞的时候都要抬头：推力在垂直方向上的分量只是很小的一部分，主要是抬头大幅增加了机翼产生的升力（环量）。
粘性的角色：为什么流体会“贴”在机翼上？
科恩达效应（Coanda Effect）/附壁效应描述了流体射流（射流指一束高速运动的流体）紧贴与其原方向逐渐远离的壁面的倾向。
其核心成因涉及流体的粘性（Viscosity）。流体的粘性是两层平行流动但速度不同的流体通过摩擦交换动量以至于趋近相同速度的趋势。 对于它在理想气体里的微观本质，可以想像两个平行移动但速度不同的气体方块。每个方块里的气体分子在以相当快（室温下平均 340 米每秒）的速度向四面八方随机移动，也就会跨过两个气体块的交界面。跨过交界面的分子的运动方向依然随机，但在平均上会携带它原本来自的方块的速度，通过碰撞将动量传递给目标方块里的气体分子，从而使得两个方块里的气体速度逐渐趋同。
对于一个逐渐远离射流的壁面，流体的惯性使得射流在最开始倾向于按照原本的速度方向前进。但粘性的存在使得射流会逐渐加速射流和壁面之间空隙中的流体，让空隙中的流体随射流一同排出（卷吸效应）。而无法使流体透过的硬质壁面又使得该空隙无法从另一侧补充流体。随着原本空隙中的流体越来越少，这个空隙对射流的压强会逐渐小于射流对侧的环境压强，产生一个净吸力让射流紧贴壁面。
失速的本质： 这个效应的效果并不是无限的。如果壁面远离射流的速度过快，压强差将不足以使射流紧贴壁面，而是以涡流的形式使射流大幅减速，并从射流中提取一部分流体来缓慢补充空隙中的流体，甚至有时会出现从壁面末端把另一侧的流体倒灌回来的情况，在流体力学中这种现象被称作附面层分离（Boundary Layer Separation）。在机翼上严重的附面层分离会导致失速，此时升力会大幅下降（吸力侧几乎不再产生升力）而阻力大幅增加，是一种非常危险的情况。
关键修正：粘性是“启动”升力的扳机
这里需要澄清一个非常微妙且核心的物理机制：粘性到底是维持附壁的原因，还是产生升力的根本？
在数学上的理想流体（无粘流体）中，单纯依靠伯努利原理和流线的曲率，确实可以维持一个“已经存在”的环流和升力（这解释了为什么基于无粘假设的计算流体力学 Euler 代码也能算出升力）。此时，开尔文-亥姆霍兹不稳定性（Kelvin-Helmholtz Instability） 确实可以在没有粘性的情况下，通过速度差放大扰动，形成涡流卷吸静止空气。
但是，粘性是这一切的“第一推动力”。 如果完全没有粘性，流体流过机翼时会发生“达朗贝尔佯谬”：气流会绕过机翼锐利的后缘，直接流向后上方，导致后驻点出现在机翼上表面，此时上下表面没有流速差，升力为零。
在真实世界中，正是因为粘性的存在，气流无法绕过锐利的后缘（因为那需要无限大的速度和剪切力），被迫在后缘处平滑分离。这个物理限制被称为**“库塔条件”（Kutta Condition）**。
当飞机加速起飞时，粘性迫使气流在后缘“甩”出一个起动涡。
为了角动量守恒，机翼周围必须产生一个反向的“束缚涡”（即环量）。
一旦这个环量建立，机翼就能有效地将气流向下偏转。
所以，结论是：粘性负责通过库塔条件“启动”升力流型；而流体的惯性、压强差（以及K-H不稳定性带来的卷吸）负责在后续“维持”这个流型。
航空史串烧：从薄机翼到厚机翼
在莱特兄弟甚至更早的无动力滑翔机时期，飞机往往采用薄的高弯度机翼。当时的空气动力学理论（基于早期的钝体绕流研究）误认为机翼受到的主要阻力来源是挤开空气时受到的压强阻力（形状阻力），所以认为更薄的机翼阻力更小。实际上对于流线形物体，压强阻力只占总阻力的很小一部分，主导的是摩擦阻力和诱导阻力。
薄机翼带来了致命的失速问题：很薄的机翼意味着前缘非常锋利。在高迎角下，气流在遇上机翼前缘时没有足够的过渡半径来“贴合”壁面，而是直接遭遇剧烈转折，导致气流瞬间从上表面分离。
一战后，厚机翼理论（以容克斯J1为代表）带来了革命性的改进：
气动上：厚机翼的前缘更圆润，气流更容易附着，失速特性更好。
结构上：机翼的结构特性类似一根工字梁。机翼上表面承压，下表面承拉。由于厚度（梁高）远小于宽度，表面的应力很大。更厚的机翼给了表面蒙皮和翼梁更长的力臂来对抗升力产生的弯矩。 这使得单翼悬臂梁结构成为可能，彻底淘汰了双翼机那密密麻麻的钢索和支柱（它们带来了巨大的废阻力）。
诱导阻力与三维机翼
到目前为止我们在研究的都是二维截面（翼型）。但三维机翼会产生诱导阻力。 因为机翼下表面压强高，上表面压强低，气流会在翼尖处“卷”上去，形成翼尖涡。这导致流过机翼的气流被整体向下压（下洗）。升力矢量因此向后倾斜，产生了一个阻力分量，这就是诱导阻力。
经典理论（升力线理论）告诉我们：对于给定的翼展，椭圆形升力分布能产生均匀的下洗场，从而实现最小的诱导阻力。这也是为什么喷火战斗机或P-51拥有优美的椭圆/准椭圆机翼。
进阶思考：打破椭圆分布的“钟形”智慧
椭圆形分布是“给定翼展”下的最优解。但在工程现实中，翼展往往不是唯一的限制，结构重量才是。
如果在翼尖产生较大的升力（椭圆分布），会产生巨大的根部弯矩，这就需要更重的翼梁来支撑。 如果我们在设计时，故意让升力分布偏离椭圆，在翼根产生更多升力，而在翼尖迅速减小升力（形成钟形分布 / Bell-shaped distribution，如波音787或鸟类的翅膀）：
虽然气动效率（针对该翼展）略微下降；
但翼根弯矩大幅降低，我们可以用省下的结构重量把机翼做得更长（更大的翼展）。
更大的翼展带来的诱导阻力减益，远超过偏离椭圆分布带来的损失。
这就是现代高阶气动设计（普朗特-1933理论）的精髓：通过气动与结构的综合权衡，用更大的翼展和钟形分布来实现比椭圆机翼更高的综合飞行效率。