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揭秘飞机机翼的神秘结构

2017-08-16 21:16 作者:

摘要:我们都玩过纸飞机,纸飞机就是薄薄的一片机翼,那么为什么民航客机的机翼不是薄薄的一片呢?首先,纸飞机的机翼不能够产生升力,只是保证纸飞机自身向前滑翔而已,跟滑翔伞是一样的。

飞机的外观最凸显的部分就是机翼,机翼的作用就是为飞机提供升力、控制水平翻转、储油和悬挂发动机等。但是经常坐飞机的朋友一定会注意到飞机的机翼上有很多特别的设计,虽然每次都能看到,但是不一定了解这些部分的作用和名字。这篇文章就是要给大家解答疑问,在下次乘坐飞机的时候,可以对看到的部件有一定的认知,顺便可以跟旁边的妹子吹嘘一下。

这里我们主要为大家进行民航客机机翼结构作用和设计原理的科普,如果想要看到各种设计公式、设计原理实质、包含的知识点等等具体深入化的内容,请大家自行购买空气动力学和飞机结构设计的书籍,或者报名学习飞机制造。

● 为什么机翼不是薄薄的一片?

我们都玩过纸飞机,纸飞机就是薄薄的一片机翼,那么为什么民航客机的机翼不是薄薄的一片呢?首先,纸飞机的机翼不能够产生升力,只是保证纸飞机自身向前滑翔而已,跟滑翔伞是一样的。战斗机的机翼非常薄,但也不是薄薄的一片,只是相对客机来说很薄,这是因为战斗机飞行的速度会几倍于音速,所以所涵盖的设计原理与民航客机不太一样,这里我们不讨论了。民航客机的飞行速度是亚音速,也就是接近于音速,因此我们可以看到飞机的机翼都是我们见到的这种形状:

飞机机翼的横切面造型

飞机机翼的横切面造型

我们日常常见的民航客机,包括一些常见的商务型客机的飞机机翼几乎都是这两种形状设计。飞机的机翼为什么要设计成这种形状和厚度呢?主要目的就是为了让机翼在空中飞行的时候,将气流切割成上下两个部分,并且让两个部分产生差异。接着我们用一张图来给大家简单的演示一下机翼是如何产生升力的:

升力原理图

这个原理主要利用的就是压力差,并不是原力或者龟派气功。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,自然流速更快,根据伯努利定理,速度越快,气压越小,上下表面的压力差就提供了升力。在低速的时候,飞机的升力原理源自伯努利定律,但是随着速度(马赫数)的增加,这个定律就不再适合了,因此战斗机的机翼设计不是这个样子。

此外,不设计成薄薄的一片还有一个重要的原因就是坚固性。因为飞机的机翼,尤其是民航客机和运输机,要承受非常大的飞行重量,机翼的结构就会很复杂。薄薄的一片在安全性上也不可能通过。

● 民航客机基本是下单翼飞机

飞机的机翼根据安装的位置,分为安装在机身上部(背部)的上单翼、安装在机身中部的中单翼和安装在机身下部(腹部)的下单翼三种。我们还是继续讨论民航的范畴,目前可以看到大型的运输机的机翼多为上单翼,客机的机翼多为下单翼。

民航客机大多使用下单翼设计

运输机大多使用上单翼设计

下单翼的飞机,由于机翼距离地面很近,所以更加方便于安装起落架、进行维护工作。另外,下单翼的飞机有个问题就是发动机距离地面的距离很近,因此更容易吸入异物,造成发动机损坏的问题。但是对于民航客机来说,起飞的民用机场条件都非常优秀,因此也就不用担心异物这种问题。但是大型的运输机就不同了,尤其是军用的,一般起飞的条件都比较苛刻,比如战斗前线的机场都是土路,没有高级的跑道。因此采用了上单翼的设计,这样发动机距离较高,也起到了保护的作用。

当然,这并不是固定的,客机也有采用上单翼设计的,运输机也有采用下单翼设计的。

● 飞机机翼如何承受如此大重量的?

其实这个问题可以说的非常深入,也可以说的非常简单,因为我们是科普文章,所以就简单说了。最简单的说法就是飞机的机翼使用了非常先进的材料,然后针对这些材料进行了相关的结构设计和优化。

机翼的承重,主要针对的是材料学和结构学。材料的选择必然很重要,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。目前飞机的机翼的设计趋势是采用复合型材料,不过并不是整个机身都可以这样,比如起落架就不可以采用复合材料。

波音787飞机的结构图

我们以波音787飞机为例,它的机翼主结构就是采用的碳纤维复合材料设计。结构的形式是双梁单块式,目前这个结构设计十分主流。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。在设计初始,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设计和计算中,根据整个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承受如此大的重量。

当然,我们在飞机的飞行过程中总会遇到气流和颠簸,为什么机翼不会破裂或者折断呢? 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是我们无法想象的。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。另外,一般来说飞机的机翼在设计上也有优化,机翼在一定角度内的弯曲是没有问题的,还可以承受3个G的颠簸,所以我们日常飞行环境的颠簸是无法对机翼造成损害的。毕竟不是我们坐的飞机不是用来拍摄空难电影的,大家不要担心这个问题。

机翼最末端为什么是竖起的?

早期的飞机,机翼的设计就是一个大直板(请原谅大C的形容词这么直接),而现在我们看到的飞机机翼在末端都是竖起来的,有的甚至有有一些很好看的造型,难道这些设计就是为了飞机外观上能够很漂亮吗?当然漂亮是一部分,这些设计叫做翼梢小翼,别看这个小翼,它里面可包含了省钱的大学问。

● 为什么飞机要加入翼梢小翼?

早期的飞机,飞机的机翼末端是平直的,这样由于机翼下表面的高压气流会向上表面卷上去,形成翼尖的涡流,而这个涡流对于飞机的影响最直接的就是阻力。大家都知道航空燃油是非常昂贵的,增加1%的阻力都会让飞机烧掉不少没有必要花费的钱,因此人们开始研究解决这个涡流的问题。早期的翼梢概念是由19世纪初一位英国空气动力学家构想的,但是真正将其与飞机联系在一起则是NASA(美国国家航空航天局)的Richard Whitcomb博士。

没有翼梢小翼的机翼末端会产生较大的湍流

在上世纪70年代末期,NASA在一家KC-135飞机上安装了翼梢小翼进行试验,得到的结果是最大飞行高度增加了3.4%,升力系数增大了4.88%,巡航状态升阻比提高了7.8%,航程增加了7.5%。这充分说明了翼梢小翼的设计是有价值的。

● 翼梢小翼的作用是减阻

飞机的平直机翼,机翼的下表面气流由于高压而会流向上表面,在翼尖产生较大的旋涡,档飞机飞行速度增加,旋涡的强度也会随之增加。这种旋涡的能量很大,但是对于飞机的升力和推力都没有任何帮助,反而会增加飞机的阻力和燃油消耗。加装了翼梢小翼之后,虽然旋涡是不可能完全被消除,但是旋涡的强度被明显的降低了。因为翼梢小翼像是一堵墙一样阻挡空气卷上来,这样就可以有效地减少飞机飞行时的阻力。

有无翼梢小翼的涡流对比

减少了飞机飞行时的阻力,就会节省一部分的燃油消耗,节省了燃油消耗,这样就可以节省运营的成本。如果每一架飞机都节省一部分成本,那么一年整体运营下来,节省的成本还是很可观的数字。

不过在短程的航线上,翼梢小翼的作用就不够明显了,因为它会给飞机带来额外的重量,这些重量的增加的燃油消耗不能够抵消减少阻力的节油的量。因此在短途的航线客机上,其实可以不加装翼梢小翼。不过近几年,航空燃油的价格不断飙升,因此很多航空公司在订购飞机时会要求加装翼梢小翼,甚至将现有的机型去改装和加装翼梢小翼,以谋求成本的节约。

● 几款现在十分常见的翼梢小翼

1、融合式翼梢小翼

融合式翼梢小翼

典型客机机型:波音737NG、波音757-200、波音767-300ER、空中客车A320系列、空中客车A320neo、空中客车A330neo、空中客车A350XWB系列、中国商飞ARJ21、中国商飞C919。

2、单段式翼梢小翼

单段式翼梢小翼

典型客机机型:波音747-400、空中客车A330-200、空中客车A340-300。

3、分叉式翼梢小翼

分叉式翼梢小翼

典型客机机型:波音737NG和波音737MAX。

4、复合后掠角涡扩散器翼梢小翼

复合后掠角涡扩散器翼梢小翼

典型客机机型:空中客车A319、空中客车A320、空中客车A380。

5、斜削式翼梢小翼

斜削式翼梢小翼

典型客机机型:波音747-8、波音767-400ER、波音777-200LR、波音777-300ER、波音787系列。

6、盒式或者环式翼梢小翼

盒式或者环式翼梢小翼

环式或者成为盒式翼梢小翼目前比较少见,主要在一些商务飞机上会见到。

● 机翼下方的方块是什么?

我们在乘坐飞机的时候,总会发现飞机的机翼后方凸出来几个方块,而且体积还不小。飞机越大方块的数量也就越多,那么这些方块究竟是什么呢?

我们每次坐飞机都会看到机翼上的这些方块,它们是什么?

这些方块的学名叫做襟翼滑轨整流罩,它的里面是襟翼传动装置。说白了,它里面的机械机构就是用来控制襟翼使用的,襟翼向下弯曲就是靠这个整流罩里面的机械来完成。那么襟翼是什么?我们会在下面提升升力的部分为大家单独介绍。

机翼下方的这些方块是襟翼滑轨整流罩

放下襟翼的时候就能够看到里面的机械结构了

为什么要用这个整流罩罩住里面的机械传动结构呢,答案很简单,就是为了减少阻力和保护。一般我们在空中飞行的时候,直接暴露机械结构会造成提升阻力,毕竟机械机构没有这个整流罩更具有减阻的造型和结构优化。当然,这个整流罩也有保护里面机械机构的作用。而且你别小看这个整流罩,它的气动外型设计也是包含了大学问的。

冲压空气涡轮

这时候又有了一个新的问题,为什么整流罩的大小和长度还不一样呢?这是因为它们之中不都是操作襟翼的机械结构,还有一个其它的部件,叫做冲压空气涡轮,用处是在紧急情况下通过飞机自身的速度所产生的流体冲压来发电,有点像是一台风力发电机。现在的民航客机中都会配备这个冲压空气涡轮,波音全机型的都装在靠近右侧主起落架的一个小舱里,而空客的大部分飞机则设计在一个后缘襟翼滑轨的整流罩内,这也就是为什么整流罩的大小长短不一样,而且看上去很多机型两侧的还不对称。

● 襟翼和前缘缝翼是干什么用的 

襟翼和前缘缝翼的作用很简单,就是为了飞机提升升力所用。

我们先来说说飞机的襟翼。襟翼一般在起飞和降落等等低速的情况下才会放下使用,如果速度高到一定程度,还要强行放下襟翼,可能会造成解体。飞机和起飞降落阶段放下襟翼,这样就会让飞机整个机翼的面积(也就是机翼的宽度)增加,同时也增加了机翼的弯曲角度,因为襟翼只能够向下弯曲一定角度。这样可以增加机翼上下表面的压力差,从而提升飞机的升力。但是为什么需要在起飞和降落阶段放下放下襟翼来提升升力呢,原因很简单,这样可以改变起飞和降落时飞机需要跑道滑行的长度,一方面节省跑道场地和建造费用,另一方面也是增加飞机起飞和降落的安全性。当然,也有很多飞机没有襟翼设计,或者是起飞阶段不放下襟翼。

向下倾斜的就是飞机的襟翼

在飞机放下襟翼的时候,机翼的宽度和弯度都会增加,随之而来的就是高速气流可能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

前缘缝翼的作用就是将机翼下表面的气流引导到上表面,吹散刚才说的那些涡流,保证机翼能提供足够的升力。

● 飞机上这些倒刺是什么?

看到机翼上那些倒刺了吗,这个是放电刷

飞机的机翼上有很多的倒刺设计,这些东西的学名叫做放电刷。放电刷在大型客机上都能够看到,比如机翼上、翼梢小翼上,尾翼上都会设计。它的作用就是放电。飞机在高速的飞行时,会与空气进行摩擦,或者是穿过带电的云团,或者是内部机械摩擦产生的静电等等,这些静电如果不进行及时的释放,很可能会累积从而形成放电现象,对飞机的安全造成危害。放电刷就是利用了尖端放电的原理,让静电集中在这些尖端,然后与空气接触慢慢放电。

● 降落时翘起来的是什么?

我们经常在飞机落地之后,除了感受到明显的轰鸣的噪音之外,还可以看到飞机机翼上有一些板翘起来了。这些板的学名叫做地面扰流板,基本上是飞机落地之后才会抬起来的。

地面扰流板的作用很简单,就是抬起来改变机翼的气流,卸除飞机机翼的升力,增加阻力,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。

一张网友制作的神图(标注的非常清晰)

扰流板不只有一种,上面介绍的是地面扰流板,飞机还有飞行扰流板。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。地面使用时,与地面扰流板的作用相同,不重复介绍了。在空中使用的时候,主要目的是为了作为减速板增加阻力使用,或者是配合副翼进行横侧操作。

别看扰流板的作用不多,但是却是一个减速很关键的部件,而且目前即便是先进的客机中,扰流板的操作也是通过机械结构完成的,并不是电传结构。

● 飞机的内外副翼有何差别

还是这张图,很好用

飞机的副翼可以帮助飞机实现方向的控制,当然方向的控制还有尾翼。现在的客机,副翼一般都分为内副翼和外副翼。外副翼顾名思义就是设计在机翼外端,内副翼则设计的距离机身较近的地方(图片上标注的很清晰、很典型)。

简单的来说,在低速飞行的时候使用外副翼;在高速飞行的时候使用内副翼,因为在高速飞行的时候,如果强行使用外副翼,会造成外副翼的损坏,因此这个时候一般外副翼都是锁定在中央位置上。在低速状况下,气动效率比较低,因此要使用外副翼来控制。另外,在高速的情况下,有时候光是用内副翼是不够的,还要搭配了扰流板辅助副翼进行翻滚操纵,分担负荷。

由于内副翼设计的位置本身应该是襟翼,因此内副翼可以说从中间隔断了襟翼,影响了飞机起降时候提供的升力性能,因此一般有内副翼的飞机还会增加其它装置设计,比如喷气襟翼或者前缘襟翼等等。

襟副翼

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,就像上面图片中的样子,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,因此飞机横滚运动的时候扭矩较小,因此可以操作的更加精准。

● 飞机发动机为什么设计在这里?

我们看到目前的主流大型客机,尤其是宽体客机,发动机都是挂在机翼的下方,而且是很靠近机身的位置上,当然大部分大型运输机也是如此。这样发动机的噪音距离机舱内的乘客很近,很是困扰。难道不能够将发动机转移到机尾或者机翼的其它部位上吗?

现在大型宽体客机的发动机几乎都固定在这个位置

其实发动机的这个设计位置,是经过一代一代的改良最终得到的结果。我们看到一些战斗机的发动机都设计在飞机的尾部,其实可以是说是飞机机身内部了。这是因为战斗机的发动机主要是为了优先性能,都是小涵道比的发动机,进气道和发动机加起来的长度很大,可能占据了战斗机三分之二的机身长度,因此只有这个位置可以放下。客机的发动机则不一样,优先的是经济性,毕竟是用来赚钱的交通工具。

客机的发动机放在距离机身较近的机翼下方,一方面是因为机翼上方的气流不能够被庞大的发动机阻挡而遭到破坏,这样会影响给机翼提供升力,所以发动机不能够放在机翼上方。

高度的不同,机翼的角度会发生变化的

另一方面,发动机也不能够放在距离机身很远的机翼位置上。因为这样就增加了对机翼结构强度的要求,会增加飞机整体的重量,影响了经济性。此外设计在机翼的末端会导致发动机稳定性和效率降级,因为飞机在不同的高度,机翼的角度会发生变化(机翼在空中可不是纹丝不动的,随着高度会有一定角度的变化)。

发动机悬挂在机翼距离机身很近的部分,可以抵消机翼较长产生的一部分力矩。重量的均匀分布也能够让飞机和发动机的工作更稳定。而且客机的油箱都设计在机翼中,这样发动机输油的效率就会更高。另外发动机前方没有机翼或者其它物体的遮挡和影响,进气的效率也更高、更稳定,进而提升了发动机工作的效率,我们可以看到发动机的前端一般都会比机翼更突出,因为这样会避免遭受前缘缝翼和前缘襟翼的影响。

麦道等品牌的飞机将发动机设计在尾部

有人说,麦道一些客机或者是一些商务飞机的发动机设计在机身的后方,也就是尾翼的附近,为什么大型宽体客机不这么设计呢?之前有过一次空难迫降的例子,可能是这个事件让设计者更谨慎,改变了发动机的位置。1991年斯堪的纳维亚航空751航班的麦道MD-81飞机,由于机翼结的冰脱落后被吸入发动机,导致两台发动机同时失效,幸好飞行员迫降成功,无人伤亡。因此发动机置于机翼后面不仅会遭到机翼气流的一些影响,还可能会有其它的问题出现。

因此,发动机在现在这个位置上,是最安全、最稳定、最经济的优化结果。如果想要设计新的位置,就要重新研究设计很多飞机外形的结构,费时费力,也不会有设计师和制造商想要这么做。

责任编辑:超管黄师兄

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