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揭秘飛機機翼的神秘結構

發布日期:2017-08-12 14:27:54 點擊次數: 字號: [默認] [] [] []
摘要:為什么機翼不是薄薄的一片?天使與魔鬼是大C推出的探究飛機和航空的系列文章。通過文章能夠幫助大家全面的了解飛機和飛行安全知識,對大家
為什么機翼不是薄薄的一片?

“天使與魔鬼”是大C推出的探究飛機和航空的系列文章。通過文章能夠幫助大家全面的了解飛機和飛行安全知識,對大家乘坐飛機出行更有幫助。本次為大家帶來第二十篇,講講飛機的機翼上各個部件的作用是什么。

天使與魔鬼20:打賭你都見過 揭秘飛機機翼的神秘結構

飛機的外觀最凸顯的部分就是機翼,機翼的作用就是為飛機提供升力、控制水平翻轉、儲油和懸掛發動機等。但是經常坐飛機的朋友一定會注意到飛機的機翼上有很多特別的設計,雖然每次都能看到,但是不一定了解這些部分的作用和名字。這篇文章就是要給大家解答疑問,在下次乘坐飛機的時候,可以對看到的部件有一定的認知,順便可以跟旁邊的妹子吹噓一下。

這里我們主要為大家進行民航客機機翼結構作用和設計原理的科普,如果想要看到各種設計公式、設計原理實質、包含的知識點等等具體深入化的內容,請大家自行購買空氣動力學和飛機結構設計的書籍,或者報名學習飛機制造。


打賭你都見過 揭秘飛機機翼的神秘結構
打賭你都見過 揭秘飛機機翼的神秘結構

● 為什么機翼不是薄薄的一片?

我們都玩過紙飛機,紙飛機就是薄薄的一片機翼,那么為什么民航客機的機翼不是薄薄的一片呢?首先,紙飛機的機翼不能夠產生升力,只是保證紙飛機自身向前滑翔而已,跟滑翔傘是一樣的。戰斗機的機翼非常薄,但也不是薄薄的一片,只是相對客機來說很薄,這是因為戰斗機飛行的速度會幾倍于音速,所以所涵蓋的設計原理與民航客機不太一樣,這里我們不討論了。民航客機的飛行速度是亞音速,也就是接近于音速,因此我們可以看到飛機的機翼都是我們見到的這種形狀:

打賭你都見過 揭秘飛機機翼的神秘結構
飛機機翼的橫切面造型

打賭你都見過 揭秘飛機機翼的神秘結構
飛機機翼的橫切面造型

我們日常常見的民航客機,包括一些常見的商務型客機的飛機機翼幾乎都是這兩種形狀設計。飛機的機翼為什么要設計成這種形狀和厚度呢?主要目的就是為了讓機翼在空中飛行的時候,將氣流切割成上下兩個部分,并且讓兩個部分產生差異。接著我們用一張圖來給大家簡單的演示一下機翼是如何產生升力的:

打賭你都見過 揭秘飛機機翼的神秘結構
升力原理圖

這個原理主要利用的就是壓力差,并不是原力或者龜派氣功。機翼上下表面形狀是不對稱的,空氣沿機翼上表面運動的距離更長,自然流速更快,根據伯努利定理,速度越快,氣壓越小,上下表面的壓力差就提供了升力。在低速的時候,飛機的升力原理源自伯努利定律,但是隨著速度(馬赫數)的增加,這個定律就不再適合了,因此戰斗機的機翼設計不是如此樣子。

此外,不設計成薄薄的一片還有一個重要的原因就是堅固性。因為飛機的機翼,尤其是民航客機和運輸機,要承受非常大的飛行重量,機翼的結構就會很復雜。薄薄的一片在安全性上也不可能通過。

● 民航客機基本是下單翼飛機

飛機的機翼根據安裝的位置,分為安裝在機身上部(背部)的上單翼、安裝在機身中部的中單翼和安裝在機身下部(腹部)的下單翼三種。我們還是繼續討論民航的范疇,目前可以看到大型的運輸機的機翼多為上單翼,客機的機翼多為下單翼。

打賭你都見過 揭秘飛機機翼的神秘結構
民航客機大多使用下單翼設計

打賭你都見過 揭秘飛機機翼的神秘結構
運輸機大多使用上單翼設計

下單翼的飛機,由于機翼距離地面很近,所以更加方便于安裝起落架、進行維護工作。另外,下單翼的飛機有個問題就是發動機距離地面的距離很近,因此更容易吸入異物,造成發動機損壞的問題。但是對于民航客機來說,起飛的民用機場條件都非常優秀,因此也就不用擔心異物這種問題。但是大型的運輸機就不同了,尤其是軍用的,一般起飛的條件都比較苛刻,比如戰斗前線的機場都是土路,沒有高級的跑道。因此采用了上單翼的設計,這樣發動機距離較高,也起到了保護的作用。

當然,這并不是固定的,客機也有采用上單翼設計的,運輸機也有采用下單翼設計的。

● 飛機機翼如何承受如此大重量的?

其實這個問題可以說的非常深入,也可以說的非常簡單,因為我們是科普文章,所以就簡單說了。最簡單的說法就是飛機的機翼使用了非常先進的材料,然后針對這些材料進行了相關的結構設計和優化。

機翼的承重,主要針對的是材料學和結構學。材料的選擇必然很重要,而且是多種層次的,比如機翼的骨架、蒙皮等等都采用了高比強度或者高比模量的材料。目前飛機的機翼的設計趨勢是采用復合型材料,不過并不是整個機身都可以這樣,比如起落架就不可以采用復合材料。

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波音787飛機的結構圖

我們以波音787飛機為例,它的機翼主結構就是采用的碳纖維復合材料設計。結構的形式是雙梁單塊式,目前這個結構設計十分主流。前后有兩根梁,之間又有很多的翼肋,這樣梁和肋就組成了機翼的內部骨架結構,外側是蒙皮和壁板設計。在設計初始,設計人員就會將機翼的重量和整個飛機將會承載的最大重量加入設計和計算中,根據整個最大重量來進行整個機翼的設計和優化,這樣就可以保證飛機的機翼承受如此大的重量。

當然,我們在飛機的飛行過程中總會遇到氣流和顛簸,為什么機翼不會破裂或者折斷呢?任何一架新型飛機在投入市場之前,都會進行無數次的測試,測試環節和復雜程度是我們無法想象的。在測試中,針對顛簸和氣流的測試也是總要的一個環節,因此投入市場的飛機,面對小的氣流顛簸是不會有任何影響的。如果遇到大的氣流變化,地面氣象站或者飛機都會有預警,飛機可以繞開飛行。另外,一般來說飛機的機翼在設計上也有優化,機翼在一定角度內的彎曲是沒有問題的,還可以承受一定3個G的顛簸,所以我們日常飛行環境的顛簸是無法對機翼造成損害的。畢竟不是我們坐的飛機不是用來拍攝空難電影的,大家不要擔心這個問題。


第2頁:機翼最末端為什么是豎起的?

 

早期的飛機,機翼的設計就是一個大直板(請原諒大C的形容詞這么直接),而現在我們看到的飛機機翼在末端都是豎起來的,有的甚至有有一些很好看的造型,難道這些設計就是為了飛機外觀上能夠很漂亮嗎?當然漂亮是一部分,這些設計叫做翼梢小翼,別看這個小翼,它里面可包含了省錢的大學問。

● 為什么飛機要加入翼梢小翼?

早期的飛機,飛機的機翼末端是平直的,這樣由于機翼下表面的高壓氣流會向上表面卷上去,形成翼尖的渦流,而這個渦流對于飛機的影響最直接的就是阻力。大家都知道航空燃油是非常昂貴的,增加1%的阻力都會讓飛機燒掉不少沒有必要花費的錢,因此人們開始研究解決這個渦流的問題。早期的翼梢概念是由19世紀初一位英國空氣動力學家構想的,但是真正將其與飛機聯系在一起則是NASA(美國國家航空航天局)的Richard Whitcomb博士。


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沒有翼梢小翼的機翼末端會產生較大的渦流

在上世紀70年代末期,NASA在一家KC-135飛機上安裝了翼梢小翼進行試驗,得到的結果是最大飛行高度增加了3.4%,升力系數增大了4.88%,巡航狀態升阻比提高了7.8%,航程增加了7.5%。這充分說明了翼梢小翼的設計是有價值的。

● 翼梢小翼的作用是減阻

飛機的平直機翼,機翼的下表面氣流由于高壓而會流向上表面,在翼尖產生較大的旋渦,檔飛機飛行速度增加,旋渦的強度也會隨之增加。這種旋渦的能量很大,但是對于飛機的升力和推力都沒有任何幫助,反而會增加飛機的阻力和燃油消耗。加裝了翼梢小翼之后,雖然旋渦是不可能完全被消除,但是旋渦的強度被明顯的降低了。因為翼梢小翼像是一堵墻一樣阻擋空氣卷上來,這樣就可以有效地減少飛機飛行時的阻力。

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有無翼梢小翼的渦流對比

減少了飛機飛行時的阻力,就會節省一部分的燃油消耗,節省了燃油消耗,這樣就可以節省運營的成本。如果每一架飛機都節省一部分成本,那么一年整體運營下來,節省的成本還是很客觀的數字。

不過在短程的航線上,翼梢小翼的作用就不夠明顯了,因為它會給飛機帶來額外的重量,這些重量的增加的燃油消耗不能夠抵消減少阻力的節油的量。因此在短途的航線客機上,其實可以不加裝翼梢小翼。不過近幾年,航空燃油的價格不斷飆升,因此很多航空公司在訂購飛機時會要求加裝翼梢小翼,甚至將現有的機型去改裝和加裝翼梢小翼,以謀求成本的節約。

● 幾款現在十分常見的翼梢小翼

1、融合式翼梢小翼

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融合式翼梢小翼

典型客機機型:波音737NG、波音757-200、波音767-300ER、空中客車A320系列、空中客車A320neo、空中客車A330neo、空中客車A350XWB系列、中國商飛ARJ21、中國商飛C919。

2、單段式翼梢小翼

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單段式翼梢小翼

典型客機機型:波音747-400、空中客車A330-200、空中客車A340-300。

3、分叉式翼梢小翼

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分叉式翼梢小翼

典型客機機型:波音737NG和波音737MAX。

4、復合后掠角渦擴散器翼梢小翼

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復合后掠角渦擴散器翼梢小翼

典型客機機型:空中客車A319、空中客車A320、空中客車A380。

5、斜削式翼梢小翼

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斜削式翼梢小翼

典型客機機型:波音747-8、波音767-400ER、波音777-200LR、波音777-300ER、波音787系列。

6、盒式或者環式翼梢小翼

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盒式或者環式翼梢小翼

環式或者成為盒式翼梢小翼目前比較少見,主要在一些商務飛機上會見到。


第3頁:機翼下方的大方塊是什么?

● 機翼下方的方塊是什么?

我們在乘坐飛機的時候,總會發現飛機的機翼后方凸出來幾個方塊,而且體積還不小。飛機越大方塊的數量也就越多,那么這些方塊究竟是什么呢?


打賭你都見過 揭秘飛機機翼的神秘結構
我們每次坐飛機都會看到機翼上的這些方塊,它們是什么?

這些方塊的學名叫做襟翼滑軌整流罩,它的里面是襟翼傳動裝置。說白了,它里面的機械機構就是用來控制襟翼使用的,襟翼向下彎曲就是靠這個整流罩里面的機械來完成。那么襟翼是什么?我們會在下面提升升力的部分為大家單獨介紹。

打賭你都見過 揭秘飛機機翼的神秘結構
機翼下方的這些方塊是襟翼滑軌整流罩

打賭你都見過 揭秘飛機機翼的神秘結構
放下襟翼的時候就能夠看到里面的機械結構了

為什么要用這個整流罩罩住里面的機械傳動結構呢,答案很簡單,就是為了減少阻力和保護。一般我們在空中飛行的時候,直接暴露機械結構會造成提升阻力,畢竟機械機構沒有這個整流罩更具有減阻的造型和結構優化。當然,這個整流罩也有保護里面機械機構的作用。而且你別小看這個整流罩,它的氣動外型設計也是包含了大學問的。

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沖壓空氣渦輪

這時候又有了一個新的問題,為什么整流罩的大小和長度還不一樣呢?這是因為它們之中不都是操作襟翼的機械結構,還有一個其它的部件,叫做沖壓空氣渦輪,用處是在緊急情況下通過飛機自身的速度所產生的流體沖壓來發電,有點像是一臺風力發電機。現在的民航客機中都會配備這個沖壓空氣渦輪,波音全機型的都裝在靠近右側主起落架的一個小艙里,而空客的大部分飛機則設計在一個后緣襟翼滑軌的整流罩內,這也就是為什么整流罩的大小長短不一樣,而且看上去很多機型兩側的還不對稱。

● 襟翼和前緣縫翼是干什么用的

襟翼和前緣縫翼的作用很簡單,就是為了飛機提升升力所用。

我們先來說說飛機的襟翼。襟翼一般在起飛和降落等等低速的情況下才會放下使用,如果速度高到一定程度,還要強行放下襟翼,可能會造成解體。飛機和起飛降落階段放下襟翼,這樣就會讓飛機整個機翼的面積(也就是機翼的寬度)增加,同時也增加了機翼的彎曲角度,因為襟翼只能夠向下彎曲一定角度。這樣可以增加機翼上下表面的壓力差,從而提升飛機的升力。但是為什么需要在起飛和降落階段放下放下襟翼來提升升力呢,原因很簡單,這樣可以改變起飛和降落時飛機需要跑道滑行的長度,一方面節省跑道場地和建造費用,另一方面也是增加飛機起飛和降落的安全性。當然,也有很多飛機沒有襟翼設計,或者是起飛階段不放下襟翼。

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向下傾斜的就是飛機的襟翼

在飛機放下襟翼的時候,機翼的寬度和彎度都會增加,隨之而來的就是高速氣流可能會在上表面接近機翼后緣部分產生分離,造成不規則渦流的產生,這個渦流會導致升力的下降。這時候,我們就需要前緣縫翼的幫助了。

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前緣縫翼

前緣縫翼的作用就是將機翼下表面的氣流引導到上表面,吹散剛才說的那些渦流,保證機翼能提供足夠的升力。

● 飛機上這些倒刺是什么?

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看到機翼上那些倒刺了嗎,這個是放電刷

飛機的機翼上有很多的倒刺設計,這些東西的學名叫做放電刷。放電刷在大型客機上都能夠看到,比如機翼上、翼梢小翼上,尾翼上都會設計。它的作用就是放電。飛機在高速的飛行時,會與空氣進行摩擦,或者是穿過帶電的云團,或者是內部機械摩擦產生的靜電等等,這些靜電如果不進行及時的釋放,很可能會累積從而形成放電現象,對飛機的安全造成危害。放電刷就是利用了尖端放電的原理,讓靜電集中在這些尖端,然后與空氣接觸慢慢放電。

 


第4頁:降落時翹起來的是什么?

● 降落時翹起來的是什么?

我們經常在飛機落地之后,除了感受到明顯的轟鳴的噪音之外,還可以看到飛機機翼上有一些板翹起來了。這些板的學名叫做地面擾流板,基本上是飛機落地之后才會抬起來的。

地面擾流板的作用很簡單,就是抬起來改變機翼的氣流,卸除飛機機翼的升力,增加阻力,配合發動機反推(就是聽到的巨大轟鳴聲,實際上飛機落地后的減速幾乎都要靠發動機反推)和剎車一起幫助飛機快速減速。


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一張網友制作的神圖(標注的非常清晰)

擾流板不只有一種,上面介紹的是地面擾流板,飛機還有飛行擾流板。地面擾流板只能夠在地面使用,但是飛行擾流板既可以在地面使用,也能夠在空中使用。地面使用時,與地面擾流板的作用相同,不重復介紹了。在空中使用的時候,主要目的是為了作為減速板增加阻力使用,或者是配合副翼進行橫側操作。

別看擾流板的作用不多,但是卻是一個減速很關鍵的部件,而且目前即便是先進的客機中,擾流板的操作也是通過機械結構完成的,并不是電傳結構。

● 飛機的內外副翼有何差別

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還是這張圖,很好用

飛機的副翼可以幫助飛機實現方向的控制,當然方向的控制還有尾翼。現在的客機,副翼一般都分為內副翼和外副翼。外副翼顧名思義就是設計在機翼外端,內副翼則設計的距離機身較近的地方(圖片上標注的很清晰、很典型)。

簡單的來說,在低速飛行的時候使用外副翼;在高速飛行的時候使用內副翼,因為在高速飛行的時候,如果強行使用外副翼,會造成外副翼的損壞,因此這個時候一般外副翼都是鎖定在中央位置上。在低速狀況下,氣動效率比較低,因此要使用外副翼來控制。另外,在高速的情況下,有時候光是用內副翼是不夠的,還要搭配了擾流板輔助副翼進行翻滾操縱,分擔負荷。

由于內副翼設計的位置本身應該是襟翼,因此內副翼可以說從中間隔斷了襟翼,影響了飛機起降時候提供的升力性能,因此一般有內副翼的飛機還會增加其它裝置設計,比如噴氣襟翼或者前緣襟翼等等。

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襟副翼

現在的波音寬體客機中,還設計了一個襟副翼(比如波音787客機)。襟副翼就是襟翼和副翼的結合體,就像上面圖片中的樣子,它既是副翼,也是襟翼。在起飛降落階段中,襟副翼充當的角色就是襟翼,用來提升升力。在高速飛行過程中,它充當的角色就是副翼。由于襟副翼距離飛機機身更近,因此飛機橫滾運動的時候扭矩較小,因此可以操作的更加精準。


第5頁:發動機不能設計在其它位置嗎?

● 飛機發動機為什么設計在這里?

我們看到目前的主流大型客機,尤其是寬體客機,發動機都是掛在機翼的下方,而且是很靠近機身的位置上,當然大部分大型運輸機也是如此。這樣發動機的噪音距離機艙內的乘客很近,很是困擾。難道不能夠將發動機轉移到機尾或者機翼的其它部位上嗎?


打賭你都見過 揭秘飛機機翼的神秘結構
現在大型寬體客機的發動機幾乎都固定在這個位置

其實發動機的這個設計位置,是經過一代一代的改良最終得到的結果。我們看到一些戰斗機的發動機都設計在飛機的尾部,其實可以是說是飛機機身內部了。這是因為戰斗機的發動機主要是為了優先性能,都是小涵道比的發動機,進氣道和發動機加起來的長度很大,可能占據了戰斗機三分之二的機身長度,因此只有這個位置可以放下。客機的發動機則不一樣,優先的是經濟性,畢竟是用來賺錢的交通工具。

客機的發動機放在距離機身較近的機翼下方,一方面是因為機翼上方的氣流不能夠被龐大的發動機阻擋而遭到破壞,這樣會影響給機翼提供升力,所以發動機不能夠放在機翼上方。

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高度的不同,機翼的角度會發生變化的

另一方面,發動機也不能夠放在距離機身很遠的機翼位置上。因為這樣就增加了對機翼結構強度的要求,會增加飛機整體的重量,影響了經濟性。此外設計在機翼的末端會導致發動機穩定性和效率降級,因為飛機在不同的高度,機翼的角度會發生變化(機翼在空中可不是紋絲不動的,隨著高度會有一定角度的變化)。

發動機懸掛在機翼距離機身很近的部分,可以抵消機翼較長產生的一部分力矩。重量的均勻分布也能夠讓飛機和發動機的工作更穩定。而且客機的油箱都設計在機翼中,這樣發動機輸油的效率就會更高。另外發動機前方沒有機翼或者其它物體的遮擋和影響,進氣的效率也更高、更穩定,進而提升了發動機工作的效率,我們可以看到發動機的前端一般都會比機翼更突出,因為這樣會避免遭受前緣縫翼和前緣襟翼的影響。

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麥道等品牌的飛機將發動機設計在尾部

有人說,麥道一些客機或者是一些商務飛機的發動機設計在機身的后方,也就是尾翼的附近,為什么大型寬體客機不這么設計呢?之前有過一次空難迫降的例子,可能是這個事件讓設計者更謹慎,改變了發動機的位置。1991年斯堪的納維亞航空751航班的麥道MD-81飛機,由于機翼結的冰脫落后被吸入發動機,導致兩臺發動機同時失效,幸好飛行員迫降成功,無人傷亡。因此發動機置于機翼后面不僅會遭到機翼氣流的一些影響,還可能會有其它的問題出現。

因此,發動機在現在這個位置上,是最安全、最穩定、最經濟的優化結果。如果想要設計新的位置,就要重新研究設計很多飛機外形的結構,費時費力,也不會有設計師和制造商想要這么做。

● 寫在最后
      其實這一整篇文章都是科普性質的,并沒有特別深入的講解這些機翼的設計和部件的深度解析。因為沒有必要。其實大家坐飛機,即便看到了,一般人也不會想要了解那么深入,因此寫的跟飛機制造開發人員一樣深入反而會讓大家反感。寫這篇文章的目的就是下次大家乘坐飛機的時候,再看到飛機機翼上的這些結構,可以跟周圍的同學、同事、朋友、女朋友、媳婦、別人的女朋友、別人的媳婦炫耀自己懂得知識很多,這樣就夠了。

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