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机翼的秘密

日期:2018-06-26 来源:微信@熊猫爱飞行 护眼模式:

  机翼是飞机的重要部件之一,它就好比鸟儿的翅膀,飞机之所以能在天上飞靠的就是机翼产生的升力。

机翼的秘密

  不过除了提供飞机升力,机翼其实还有许多辅助功能,比如悬挂发动机、存储燃油、控制飞机水平翻转、减速等。因此在机翼上还有很多特别设计的“机关”,也许经常坐飞机的朋友会注意到,但是不一定说得出这些机关的名字和具体作用。

  那么今天的内容就和大家来聊一聊飞机的机翼。

  机翼如何产生升力?

  众所周知,机翼的主要功能就是产生升力,让飞机飞起来,那么它为什么能产生升力呢?这还得从飞机机翼具有独特的剖面说起。

  我们把机翼横截面的形状称为翼型,翼型上下表面形状是不对称的,顶部弯曲,而底部相对较平。当飞机发动机推动飞机向前运动时,机翼在空气中穿过将气流分隔开来。一部分空气从机翼上方流过,另一部分从下方流过。

  日常的生活经验告诉我们,当水流以一个相对稳定的流量流过河床时,在河面较宽的地方流速慢,在河面较窄的地方流速快。

机翼的秘密

  空气的流动与水流其实有较大的相似性。由于机翼上下表面形状是不对称的,空气沿机翼上表面运动的距离更长,因而流速较快。而流过机翼下表面的气流正好相反,流速较上表面的气流慢。根据流体力学中的伯努利原理,流动慢的大气压强较大,而流动快的大气压强较小,这样机翼下表面的压强就比上表面的压强高。换句话说,就是大气施加于机翼下表面的压力(方向向上)比施加于机翼上表面的压力(方向向下)大,二者的压力差便形成了飞机的升力。

  机翼有多坚固?

  机翼除了提供升力之外,还必须得承重。飞机在天上飞的时候,整个机身的重量几乎都是由机翼给“托”着的。飞机在地面上的时候,机翼还得悬臂“举”着重重的发动机,像A380、747这样的巨无霸飞机,单片机翼还得悬臂“举”起两个发动机,要知道A380的单台发动机自重就达8吨。因此,机翼必须得足够坚固。

机翼的秘密

  目前主流的民航客机的机翼结构采用的是双梁单块式,前后有两根梁,之间又有很多的翼肋,这样梁和肋就组成了机翼的内部骨架结构,外侧是蒙皮和壁板设计。在设计开始阶段,设计人员就会将机翼的重量和整个飞机将会承载的最大重量加入到设计和计算中,根据最大重量来进行整个机翼的设计和优化,这样就可以保证飞机的机翼能够承受住如此大的重量。

机翼的秘密

  要把机翼做得坚固,材料的选择也很重要,而且是多种层次的,比如机翼的骨架、蒙皮等等都采用了高比强度或者高比模量的材料。目前飞机机翼的设计趋势是大规模地采用复合型材料。

  除了要坚固还得有韧性

  坐飞机的时候经常会遇到颠簸,望着窗外上下摆动的机翼,飞行恐惧症患者心理开始担忧起来了:“这翅膀上下晃得,是不是快要断了?”

  一般来说飞机的机翼在设计时就必须考虑有一定的韧性,机翼在一定角度内弯曲其实是没有问题的,而且还可以承受3个G的过载,所以我们日常飞行环境的颠簸是无法对机翼造成损害的。

  像是空客A350和波音787这样的飞机,由于机翼制造中使用了大量的复合材料,这为机翼的“逆天”弯曲变形提供了可能。

  复合材料具有较高的比强度和比刚度,当它用作大展弦比机翼材料时,在满足强度要求、气动要求的前提下,综合考虑气动弹性和减重性能,可以使复合材料机翼比常规材料机翼变形更剧烈。因此复合材料机翼是现阶段实现上述“逆天”变形的前提条件。

  看看下面这张A350机翼静力试验的动图,机翼部分被多条钢缆吊起来,当钢缆向上拉动机翼时,机翼向上摆动柔软得就好像是用塑料做的一样,其弯曲变形幅度之大令人惊叹。

机翼的秘密

  而且,任何一架新型飞机在投入市场之前,都会进行无数次的测试,测试环节和复杂程度远超普通人的想象。在测试中,针对颠簸和气流的测试也是重要的一个环节,因此投入市场的飞机,面对小的气流颠簸是不会有任何影响的。如果遇到大的气流变化,地面气象站或者飞机都会有预警,飞机可以绕开飞行。

  机翼其实还是一个大油箱

  机翼内部是由梁和肋就组成的骨架结构,骨架的中间其实是空的,这点空间如果用来装货物的话稍微偏小了一些,而且装卸困难。但浪费了这点空间又有些可惜,要知道飞机上的空间可是寸土寸金的。于是飞机的设计师们就想出了一个办法,把燃油给装到机翼中去。

机翼的秘密

  利用机翼来作为飞机的油箱还有几个好处:

  1. 油箱不占机身容积,这样机舱可以腾出更多的空间用来装货物。

  2. 飞行时机翼由于受到升力的缘故,会向上弯曲变形,从而损失升力。燃油的重量正好可以抵消一部分机翼向上弯曲的变形。

  3. 在燃料消耗的过程中,飞机重心位置移动量较小,利于飞机的飞行平衡与安全。

  主流的民航客机除了机翼油箱之外,还有位于腹舱的中央油箱,在某些远程型号的机型中,还增加了附加油箱。飞机的油箱位置如下图。

机翼的秘密

  接下来,我们再来讲讲飞机上的一些辅助功能部件。

  襟翼

  襟翼是安装在机翼后缘靠近机身的翼面,可以绕轴向后下方偏转。襟翼主要是靠增大机翼的弯度来获得升力增加的一种增升装置。

  襟翼的主要作用简单来概括:一是提高失速迎角使飞机更不容易失速,二是使飞机获得更大的升力。

机翼的秘密

  襟翼一般在起飞和降落等低速的情况下才会放下使用。如果在高速巡航阶段,强行放下襟翼,只会增加飞行阻力和飞机的油耗,甚至还会对飞机结构造成损伤。

  当飞机起飞时,襟翼以较小的角度打开,主要起到增加升力的作用,可以缩短飞机在地面的滑跑距离;当飞机在降落时,襟翼以较大的角度打开甚至全开,可以使飞机的升力和阻力同时增大,还可以增加失速迎角,以利于降低着陆速度,使飞机不容易失速,缩短滑跑距离。

  襟翼整流罩

  在机翼的后缘下方有几个凸出来的方块,而且体积还不小,飞机越大方块的数量也就越多,就像下面这张照片一样。

机翼的秘密

  这个装置叫做襟翼整流罩,里边包裹的其实是用来驱动襟翼打开闭合的机械装置。这些机械装置如果裸露在空气中,飞行时会增加飞行阻力,因此就用一个整流罩把它们包起来,另一方面也起到了保护的作用。

机翼的秘密

机翼的秘密

  当襟翼放下时,襟翼滑轨向后移动,襟翼沿着滑轨慢慢滑下,整流罩也跟着下倾一定角度,挡住前方的气流,襟翼滑轨在机翼下方乘客一般是看不到的。

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  前缘缝翼

  在飞机增大迎角或是放下襟翼的时候,随之而来的就是高速气流会在上表面接近机翼后缘部分产生分离,造成不规则涡流的产生,这个涡流会导致升力的下降。这时候,我们就需要前缘缝翼的帮助了。

  前缘缝翼是安装在机翼前缘的一段或者几段狭长小翼,它的主要作用就是将机翼下表面的气流引导到上表面,吹散因增大迎角或打开襟翼而在机翼后缘产生的涡流,保证机翼能提供足够的升力,使飞机不容易失速。因此,前缘襟翼一般配合着襟翼一块儿打开。

机翼的秘密

  在前缘缝翼闭合时(即相当于没有安装前缘缝翼),随着迎角的增大,机翼上表面的分离区逐渐向前移,当迎角增大到临界迎角时,机翼的升力系数急剧下降,飞机容易失速。当前缘缝翼打开时,它与机翼前缘表面形成一道缝隙,下翼面压强较高的气流通过这道缝隙得到加速而流向上翼面,增大了上翼面附面层中气流的速度,降低了压强,消除了这里的分离旋涡,从而延缓了气流分离,避免了大迎角下的失速,使得升力系数提高。

机翼的秘密

  现代客机的前缘缝翼没有专门的操纵装置,一般随襟翼的动作而随动,在飞机即将进入失速状态时,前缘缝翼的自动功能也会根据迎角的变化而自动开关。

  副翼

  在机翼后缘外侧有一小块可以上下摆动的翼面,这就是副翼。

机翼的秘密

  副翼是飞机的主操作舵面,飞行员操纵左右副翼差动偏转所产生的滚转力矩可以使飞机做水平横向滚转,就像下面这个动图所示的这样。

机翼的秘密

  飞机的转向就是由副翼配合着飞机垂直尾翼上的方向舵来实现的。

  现在的波音宽体客机中,还设计了一个襟副翼(比如波音787客机)。襟副翼就是襟翼和副翼的结合体,就像下面图片中的样子,它既是副翼,也是襟翼。在起飞降落阶段中,襟副翼充当的角色就是襟翼,用来提升升力。在高速飞行过程中,它充当的角色就是副翼。由于襟副翼距离飞机机身更近,飞机横滚运动的时候扭矩较小,因此可以操作得更加精准。

机翼的秘密

  2015年在法属留尼旺群岛发现了一片后来被证实为MH370客机残骸的碎片,就是客机的襟副翼。

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  扰流板

  扰流板又可以叫做减速板,顾名思义就是帮助飞机减速用的。在飞机落地时,我们除了感受到明显的轰鸣的噪音之外,如果你仔细观察还可以看到飞机机翼上有一些板翘起来了,这个就是扰流板。

机翼的秘密

  当扰流板打开时,流过机翼的气流被改变,卸除飞机机翼的升力,同时阻力增加,配合发动机反推(就是听到的巨大轰鸣声,实际上飞机落地后的减速几乎都要靠发动机反推)和刹车一起帮助飞机快速减速。

  扰流板又分为飞行、地面扰流板两种,左右对称分布,地面扰流板只能够在地面使用,但是飞行扰流板既可以在地面使用,也能够在空中使用。

  翼梢

  翼梢就是飞机机翼末端一小段上翘的部分,我们又可以把它称之为翼梢小翼。

机翼的秘密

  飞机飞行时机翼下表面的高压区气流会绕过机翼末端的翼尖流向上翼面,形成强烈的旋涡气流,当飞机飞得越快,所产生的涡流也越强,这种气流含有很大的能量,不但对增加飞行升力和推力没有作用,反而会增加飞行时的阻力和燃料的消耗。

机翼的秘密

  翼梢的作用就像一堵垂直竖起的墙,阻碍了上下表面的空气绕流,从而减小涡流的强度,有效减少飞行时的阻力和燃料消耗。

  翼梢的种类有很多,熊猫曾经做过专题对翼梢进行介绍。

  最后我们用一张图来做个总结。

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