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迪士尼梦工厂电影:機翼的秘密

時間:2018年06月26日 14:02   來源:微信@熊貓愛飛行
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明星梦工厂 www.dvrac.icu   機翼是飛機的重要部件之一,它就好比鳥兒的翅膀,飛機之所以能在天上飛靠的就是機翼產生的升力。

機翼的秘密

  不過除了提供飛機升力,機翼其實還有許多輔助功能,比如懸掛發動機、存儲燃油、控制飛機水平翻轉、減速等。因此在機翼上還有很多特別設計的“機關”,也許經常坐飛機的朋友會注意到,但是不一定說得出這些機關的名字和具體作用。

  那么今天的內容就和大家來聊一聊飛機的機翼。

  機翼如何產生升力?

  眾所周知,機翼的主要功能就是產生升力,讓飛機飛起來,那么它為什么能產生升力呢?這還得從飛機機翼具有獨特的剖面說起。

  我們把機翼橫截面的形狀稱為翼型,翼型上下表面形狀是不對稱的,頂部彎曲,而底部相對較平。當飛機發動機推動飛機向前運動時,機翼在空氣中穿過將氣流分隔開來。一部分空氣從機翼上方流過,另一部分從下方流過。

  日常的生活經驗告訴我們,當水流以一個相對穩定的流量流過河床時,在河面較寬的地方流速慢,在河面較窄的地方流速快。

機翼的秘密

  空氣的流動與水流其實有較大的相似性。由于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,因而流速較快。而流過機翼下表面的氣流正好相反,流速較上表面的氣流慢。根據流體力學中的伯努利原理,流動慢的大氣壓強較大,而流動快的大氣壓強較小,這樣機翼下表面的壓強就比上表面的壓強高?;瘓浠八?,就是大氣施加于機翼下表面的壓力(方向向上)比施加于機翼上表面的壓力(方向向下)大,二者的壓力差便形成了飛機的升力。

  機翼有多堅固?

  機翼除了提供升力之外,還必須得承重。飛機在天上飛的時候,整個機身的重量幾乎都是由機翼給“托”著的。飛機在地面上的時候,機翼還得懸臂“舉”著重重的發動機,像A380、747這樣的巨無霸飛機,單片機翼還得懸臂“舉”起兩個發動機,要知道A380的單臺發動機自重就達8噸。因此,機翼必須得足夠堅固。

機翼的秘密

  目前主流的民航客機的機翼結構采用的是雙梁單塊式,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。在設計開始階段,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到設計和計算中,根據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能夠承受住如此大的重量。

機翼的秘密

  要把機翼做得堅固,材料的選擇也很重要,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。目前飛機機翼的設計趨勢是大規模地采用復合型材料。

  除了要堅固還得有韌性

  坐飛機的時候經?;嵊齙降唪?,望著窗外上下擺動的機翼,飛行恐懼癥患者心理開始擔憂起來了:“這翅膀上下晃得,是不是快要斷了?”

  一般來說飛機的機翼在設計時就必須考慮有一定的韌性,機翼在一定角度內彎曲其實是沒有問題的,而且還可以承受3個G的過載,所以我們日常飛行環境的顛簸是無法對機翼造成損害的。

  像是空客A350和波音787這樣的飛機,由于機翼制造中使用了大量的復合材料,這為機翼的“逆天”彎曲變形提供了可能。

  復合材料具有較高的比強度和比剛度,當它用作大展弦比機翼材料時,在滿足強度要求、氣動要求的前提下,綜合考慮氣動彈性和減重性能,可以使復合材料機翼比常規材料機翼變形更劇烈。因此復合材料機翼是現階段實現上述“逆天”變形的前提條件。

  看看下面這張A350機翼靜力試驗的動圖,機翼部分被多條鋼纜吊起來,當鋼纜向上拉動機翼時,機翼向上擺動柔軟得就好像是用塑料做的一樣,其彎曲變形幅度之大令人驚嘆。

機翼的秘密

  而且,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遠超普通人的想象。在測試中,針對顛簸和氣流的測試也是重要的一個環節,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。

  機翼其實還是一個大油箱

  機翼內部是由梁和肋就組成的骨架結構,骨架的中間其實是空的,這點空間如果用來裝貨物的話稍微偏小了一些,而且裝卸困難。但浪費了這點空間又有些可惜,要知道飛機上的空間可是寸土寸金的。于是飛機的設計師們就想出了一個辦法,把燃油給裝到機翼中去。

機翼的秘密

  利用機翼來作為飛機的油箱還有幾個好處:

  1. 油箱不占機身容積,這樣機艙可以騰出更多的空間用來裝貨物。

  2. 飛行時機翼由于受到升力的緣故,會向上彎曲變形,從而損失升力。燃油的重量正好可以抵消一部分機翼向上彎曲的變形。

  3. 在燃料消耗的過程中,飛機重心位置移動量較小,利于飛機的飛行平衡與安全。

  主流的民航客機除了機翼油箱之外,還有位于腹艙的中央油箱,在某些遠程型號的機型中,還增加了附加油箱。飛機的油箱位置如下圖。

機翼的秘密

  接下來,我們再來講講飛機上的一些輔助功能部件。

  襟翼

  襟翼是安裝在機翼后緣靠近機身的翼面,可以繞軸向后下方偏轉。襟翼主要是靠增大機翼的彎度來獲得升力增加的一種增升裝置。

  襟翼的主要作用簡單來概括:一是提高失速迎角使飛機更不容易失速,二是使飛機獲得更大的升力。

機翼的秘密

  襟翼一般在起飛和降落等低速的情況下才會放下使用。如果在高速巡航階段,強行放下襟翼,只會增加飛行阻力和飛機的油耗,甚至還會對飛機結構造成損傷。

  當飛機起飛時,襟翼以較小的角度打開,主要起到增加升力的作用,可以縮短飛機在地面的滑跑距離;當飛機在降落時,襟翼以較大的角度打開甚至全開,可以使飛機的升力和阻力同時增大,還可以增加失速迎角,以利于降低著陸速度,使飛機不容易失速,縮短滑跑距離。

  襟翼整流罩

  在機翼的后緣下方有幾個凸出來的方塊,而且體積還不小,飛機越大方塊的數量也就越多,就像下面這張照片一樣。

機翼的秘密

  這個裝置叫做襟翼整流罩,里邊包裹的其實是用來驅動襟翼打開閉合的機械裝置。這些機械裝置如果裸露在空氣中,飛行時會增加飛行阻力,因此就用一個整流罩把它們包起來,另一方面也起到了?;さ淖饔?。

機翼的秘密

機翼的秘密

  當襟翼放下時,襟翼滑軌向后移動,襟翼沿著滑軌慢慢滑下,整流罩也跟著下傾一定角度,擋住前方的氣流,襟翼滑軌在機翼下方乘客一般是看不到的。

機翼的秘密

  前緣縫翼

  在飛機增大迎角或是放下襟翼的時候,隨之而來的就是高速氣流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。

  前緣縫翼是安裝在機翼前緣的一段或者幾段狹長小翼,它的主要作用就是將機翼下表面的氣流引導到上表面,吹散因增大迎角或打開襟翼而在機翼后緣產生的渦流,保證機翼能提供足夠的升力,使飛機不容易失速。因此,前緣襟翼一般配合著襟翼一塊兒打開。

機翼的秘密

  在前緣縫翼閉合時(即相當于沒有安裝前緣縫翼),隨著迎角的增大,機翼上表面的分離區逐漸向前移,當迎角增大到臨界迎角時,機翼的升力系數急劇下降,飛機容易失速。當前緣縫翼打開時,它與機翼前緣表面形成一道縫隙,下翼面壓強較高的氣流通過這道縫隙得到加速而流向上翼面,增大了上翼面附面層中氣流的速度,降低了壓強,消除了這里的分離旋渦,從而延緩了氣流分離,避免了大迎角下的失速,使得升力系數提高。

機翼的秘密

  現代客機的前緣縫翼沒有專門的操縱裝置,一般隨襟翼的動作而隨動,在飛機即將進入失速狀態時,前緣縫翼的自動功能也會根據迎角的變化而自動開關。

  副翼

  在機翼后緣外側有一小塊可以上下擺動的翼面,這就是副翼。

機翼的秘密

  副翼是飛機的主操作舵面,飛行員操縱左右副翼差動偏轉所產生的滾轉力矩可以使飛機做水平橫向滾轉,就像下面這個動圖所示的這樣。

機翼的秘密

  飛機的轉向就是由副翼配合著飛機垂直尾翼上的方向舵來實現的。

  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,就像下面圖片中的樣子,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,飛機橫滾運動的時候扭矩較小,因此可以操作得更加精準。

機翼的秘密

  2015年在法屬留尼旺群島發現了一片后來被證實為MH370客機殘骸的碎片,就是客機的襟副翼。

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  擾流板

  擾流板又可以叫做減速板,顧名思義就是幫助飛機減速用的。在飛機落地時,我們除了感受到明顯的轟鳴的噪音之外,如果你仔細觀察還可以看到飛機機翼上有一些板翹起來了,這個就是擾流板。

機翼的秘密

  當擾流板打開時,流過機翼的氣流被改變,卸除飛機機翼的升力,同時阻力增加,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。

  擾流板又分為飛行、地面擾流板兩種,左右對稱分布,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。

  翼梢

  翼梢就是飛機機翼末端一小段上翹的部分,我們又可以把它稱之為翼梢小翼。

機翼的秘密

  飛機飛行時機翼下表面的高壓區氣流會繞過機翼末端的翼尖流向上翼面,形成強烈的旋渦氣流,當飛機飛得越快,所產生的渦流也越強,這種氣流含有很大的能量,不但對增加飛行升力和推力沒有作用,反而會增加飛行時的阻力和燃料的消耗。

機翼的秘密

  翼梢的作用就像一堵垂直豎起的墻,阻礙了上下表面的空氣繞流,從而減小渦流的強度,有效減少飛行時的阻力和燃料消耗。

  翼梢的種類有很多,熊貓曾經做過專題對翼梢進行介紹。

  最后我們用一張圖來做個總結。

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