2009年4月6日星期一

飞机机翼

气球、飞艇等轻于空气的飞行器是靠空气的浮力升空的,那么重于空气的飞行器飞机、直升机等是靠什么上天的呢?它们是靠在空气中运动时产生的升力(也叫空气动力)飞上天空的。

机翼产生升力的奥秘在于机翼在运动时上下表面气流流速不同,上表面流速快,压力小,下表面流速慢,压力大,这个压力差就使得机翼产生向上的升力。

具体地说,机翼不是一块平板,而是从前缘到后缘厚度不同的曲面体。如果把机翼平行飞机对称面切一刀,露出的切面就是翼剖面,或者叫翼型。翼型前缘厚、较圆滑,后缘薄、较尖锐。机翼上表面弯度大,而下表面比较平坦。

飞机在空气中运动时,气流流过机翼上表面的路程长、压力低,流过下表面的路程短、压力高。由于上下翼表面的压力差而产生的把机翼举起来的力,就是升力。当飞机以某一仰角(指机翼前后缘连线与气流方向的夹角)飞行时,上下机翼表面流速差更大,升力也加大。当机翼产生的升力克服了飞机的重力时,飞机就腾空而起了。

人类在多年的研究中发现,机翼翼型对升力的大小有很大的关系,因此研究出形状各异的翼型,供不同的飞机选用。

翼型按使用的速度范围不同,可以分为低速翼型、亚音速翼型、跨音速翼型和超音速翼型。

足够的升力是保持飞机飞行的必要条件。在高速飞行时,升力一般够用,但在低速,特别是在起飞着陆时,由于速度小而升力不足,有必要采取增加升力的措施,主要是加装各式襟翼。

襟翼平时像“衣襟”那样附着在机翼的前缘或后缘,只在飞机起飞或着陆时才放下或打开,使机翼面积增大,或者使机翼弯度加大,这样,上翼面会有更大的流速,从而增大机翼的升力,使飞机在较低的速度下能飞离地面或安全着陆,这样就可以大大缩短跑道长度,提高飞机的安全性能。襟翼的种类很多,主要有简单襟翼(增大机翼弯度),开裂襟翼(增大弯度),后退开缝襟翼(增大弯度、面积、改善气流),双缝襟翼(增大弯度、面积,改善气流),后退襟翼(增大面积,弯度),前缘襟翼(增大弯度),前缘开缝襟翼(改善气流,增大面积、弯度),克鲁格襟翼(增大弯度、面积)。

飞机在空气中飞行,作用于飞行器上的空气动力还有一个平行飞行方向的分力,叫阻力。阻力指向后方,阻碍飞行。要让飞机持续飞行,必须由发动机产生足够的推动力或拉力,用以克服阻力。显然减小阻力对提高飞行速度、节省燃油是有利的。空气动力学和飞机的气动力布局方面的许多重大成就,都是着眼于减小阻力。以机身为例,迎风面积应减到最小,表面应光滑,形状应流线化而没有突角和缝隙,以便尽可能减小阻力。高速飞机机身设计采用“跨音速面积律”,即把机身中部做成蜂腰形,有助于降低阻力和提高速度。

近年来很多民航机机翼的端部加装了一组直立的小翼面,称为翼梢小翼,这就是一种用来减小飞机机翼诱导阻力的手段。试验表明,机翼的展弦比(机翼翼展与平均弦长之比)越大,诱导阻力越小,但是过大的展弦比会使机翼太重,因而增大机翼展弦比有一定的限度。采用翼梢小翼能起到增大展弦比的作用,使全机诱导阻力减少20%~25%,相当于升阻比提高7%,因此,不少运输机都采用翼梢小翼,作为提高飞行经济性、节省燃油的先进气动力设计措施。