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    打赌你都见过 揭秘飞机机翼的神秘结构

      [  中关村在线 原创  ]   作者:陈晨   |  责编:陈亮

        “天使与魔鬼”是大C推出的探究飞机和航空的系列文章。通过文章能够帮助大家全面的了解飞机和飞行安全知识,对大家乘坐飞机出行更有帮助。本次为大家带来第二十篇,讲讲飞机的机翼上各个部件的作用是什么。

    天使与魔鬼20:打赌你都见过 揭秘飞机机翼的神秘结构

        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。

    坐飞机都见过 机翼上这些玩意是什么?
    打赌你都见过 揭秘飞机机翼的神秘结构

    ● 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:

    打赌你都见过 揭秘飞机机翼的神秘结构
    飞机机翼的横切面造型

    打赌你都见过 揭秘飞机机翼的神秘结构
    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:

    坐飞机都见过 机翼上这些玩意是什么?
    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。

    坐飞机都见过 机翼上这些玩意是什么?
    民航客机大多使用下单翼设计

    坐飞机都见过 机翼上这些玩意是什么?
    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。

    坐飞机都见过 机翼上这些玩意是什么?
    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。

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