飛機機翼那麼薄，為什麼能承受幾十噸重量？

2020-10-03 技皆知

以下文章來源於瘋狂機械控 ，作者橙CC

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飛機是人類在20世紀最重大的科學技術成就之一，也是重要的出行交通工具。飛機外觀最凸顯的部分就是機翼，機翼那麼薄，它是如何承受幾十噸重量的？



機翼的主要構件包含了翼肋、翼梁、桁條和蒙皮。機翼結構的基本作用是構成機翼的流線外形，同時將外載荷傳給機身。機翼結構在外載荷作用下應具有足夠的強度、剛度和壽命。足夠的剛度既指蒙皮在氣動載荷作用下保持翼型形狀的能力，也包含機翼抵抗扭轉和彎曲變形的能力。


▲機翼的基本構件



機翼最主要作用是產生升力，以支持飛機在空中飛行，也起一定的穩定和操縱作用。另外，在機翼上還安裝有改善起飛和著陸性能的襟翼和用於飛機橫向操縱的副翼，有的還在機翼前緣裝有縫翼等增加升力的裝置。



飛機機翼設計主要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，並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：


飛機上升主要利用的就是壓力差。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。


當飛機前進的速度越大，這個壓強差，即升力也就越大。所以飛機起飛時必須高速前行，這樣就可以讓飛機升上天空。當飛機需要下降時，它只要減小前行的速度，其升力自然會變小，升力小於飛機的重量，它就會下降著陸。



飛機機翼是如何承受大重量的？

在給定結構重量指標(機翼自身重量)的前提下，能夠安全地承受使用載荷(設計中會放大為設計載荷)，靠的是結構材料的正確選擇、結構部件的合理布置以及結構尺寸的精心設計分析與優化。



①機翼材料的選擇

飛機的主承力結構(如機翼上的梁、肋、蒙皮壁板)一般選用高比強度或者高比模量的材料，按強度設計的地方用高比強度的材料(避免材料的失效)，按剛度設計的地方用高比模量的材料(避免結構失穩)。



材料的選擇必然很重要，而且是多種層次的。機翼的蒙皮傾向採用複合材料，承重結構依然採用金屬材料。碳纖維複合材料的特性是重量輕承重大，非常適合用在飛機機翼上。以波音787為例，它的機翼主結構就是採用的碳纖維複合材料。


②機翼結構部件合理布置及尺寸優化

飛機機翼是按照載荷傳遞的最優路線布置，儘量使部件綜合設計，發揮各種形式結構的優勢，提高結構和材料的綜合利用率。


機翼裡面實質上是空心狀態，但為了能夠進一步加固整個機翼，其內部結構採用堅固的加強筋固定。飛機機翼的每個零件都有其確定的位置，零件按照一定順序排放，既能承受內部發動機帶來的壓力，同時也能承受外部強風力帶來的壓力。



飛機機翼本身就是承載發動機和放置機油的地方，同時還需要依靠機翼來抵抗強風的壓力，而飛機本身機翼設計在達到前面要求的同時，還要竭力保持整個機翼的美觀，因此在設計方面頗費心思，機翼上每一個零件都要精準安排，不能出現任何差錯。


以波音787為例，結構的形式是雙梁單塊式，目前這個結構設計十分主流。前後有兩根梁，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。


▲波音787機翼剖視圖


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。


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，測試環節和複雜程度是我們無法想像的。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。


▲飛機機翼上下擺動


總的來說，飛機機翼的優異性能，主要取決於本身先進的材料，再加上獨特的機翼設計，和有針對結構設計做出的優化，保證了飛機在飛行過程中的安全穩定。


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