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为啥飞机有“高低肩膀”之分?看完感觉自己成专家了

如果你留意过飞机的造型,可能会注意到有的飞机机翼位置比较高,在机身上方,这叫“上单翼”,而有的飞机机翼位置比较低,在机身下方,叫“下单翼”:

为什么会有这样的差别呢,这两种情况各有什么利弊呢?

其实这些都和飞机的用途和使用环境有关系。首先,对于小型飞机来说,这两种布局的区别并不大,要勉强挑出些异同的话,那就是上单翼飞机相对于下单翼飞机在平飞时具有较好的视野:

平飞时,上单翼的机翼不会阻挡飞行员视野

但在做转向时,机身侧倾,这一区别就会逆转,上单翼飞机的机翼会遮挡视线,下单翼的视野反而更开阔:

盘旋时寻找机场,下单翼更有优势

此外,因为飞机的机翼中有油箱,下单翼飞机的供油系统比上单翼飞机稍微复杂一些,因为上单翼飞机可以利用重力供油。

以上的区别是针对小型飞机,对于大型客机、运输机来说,采用上下单翼的理由就没有那么简单了。

对运输机特别是军用运输机来说,为了便于装卸货物,机身要贴近地面,如果把机翼放在机身下面就显得碍事(毕竟机翼上还挂着发动机),所以多采用上单翼,比如著名的C-5银河运输机:

C-5 银河运输机

正在装卸坦克的C-5

运输机在使用时还要考虑使用环境的问题,比如在战场附近临时建立的机场通常不具备民航机场那样的起降环境,不仅机场附近容易有树林、建筑,跑道上也可能有很多碎石等杂物,这时把机翼“挑在肩膀上”,让机翼和发动机离地面远一点就变得很有意义,而且机翼离地面高,也为飞机换装更大的发动机提供了可能。

此外,由于机翼在机身上部,可以使得运输机的机舱更平坦和通透,便于安排大型货物和配重,下单翼的飞机机翼翼盒要穿过机舱,不适合装载大型货物。

而对于中大型客机来说,像我们常见的波音737和空客A320系列飞机,一般都采用下单翼布局。中大型客机通常在大型机场起降,跑道质量优良,不用担心在起降时有异物进入发动机,采用下单翼使得飞机的发动机更靠近地面,便于地勤人员维护,降低维护成本——像空客A320,地勤人员维护发动机甚至不用梯子,这一点“高肩膀”的军用运输机就比不了了:

空客A320与军用运输机在维护时的区别

此外,在出现紧急情况的时候,在机身下部的机翼还可以作为乘客逃生避难的平台,比如我们介绍过的“哈德逊河奇迹”,乘客就是逃出舱门后站在机翼上等待救援:

哈德逊河迫降真实画面

几种非独立使用机翼

以下几种机翼不独立使用,但应用广泛,作用独特而重要。

  1. 边条机翼——上世纪50年代始用。有机身边条和机翼边条两种。机身边条位于机身左右两侧,宽度相等;机翼边条位于机翼机身结合处,为近似三角形的小翼面。可减少阻力,改善操纵性。用于高机动性战机。
  2. 翼梢小翼——上世纪80年代始用。指在常规机翼端部连续上翘或下弯,形成的近似垂直于翼面的延伸部分。可减少诱导阻力,增加升力,提高失速迎角。被广泛应用,特别是在大型客机上。
  3. 鸭翼——始研于上世纪60年代,世纪末实用化。鸭翼是指放置在主翼前的水平稳定面,也是一种飞行器配置的称呼。其优点是可使主翼上方产生涡流,能提高失速攻角。但较容易造成不稳定。

异形与非对称机翼

航空器发展进程中出现过多种迥异于经典单翼、双翼的异形机翼与非对称机翼,而在未来还会出现新样式机翼。但无论形状如何变化,产生升力是其主要功能,同时兼负其它使命。

  1. 异形翼——如碟翼(圆盘式)、环形翼、扑翼、滚翼、X形翼等。
  2. 非对称机翼——上表中所列的斜翼是非对称机翼。此外Z形翼、单边翼也是非对称机翼(但前者是关于轴线中点的点对称机翼)。

四、部分典型机翼组图

为便于大家理解不同机翼,我挑选了部分典型机翼,制作成几张机翼组图。

我国部分机型机翼组图

我挑选了我国部分军民机机型,将其机翼类型作标注,组成机翼组图。

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。

■ 机翼升力原理图

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。

■ 机翼的结构

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。

■ 波音787机翼透视图

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。

■ 空客A350机翼静力试验

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。

■ 机翼中的油箱

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。

■ 飞机油箱位置分布

文章源 | 网络

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