人类为自己打造的翅膀,有多少奥秘

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  雄鹰展翅,伴着凛冽的山风,一次次抒发对白云的向往;麻雀抖羽,把低矮的屋檐营造成温馨的天堂,翅膀让雄鹰和麻雀脱离了地球引力。鹰翔雀飞,虽未在空中留下痕迹,却让人们产生了对翅膀的向往。
  飞机的机翼就是人类为自己打造的一双翅膀。依靠这双翅膀,人类实现了飞行梦想。
  机翼是飞机上最重要的空气动力部件,是飞机升力的主要来源,它不仅把飞机托举到白云之上,其构型与材质也在很大程度上决定着飞机的各项性能。自从1903年莱特兄弟在基蒂霍克寒冷的海风里,驾驶着飞行者1号实现了艰难一跃,此后100多年间,飞机的机翼从材料选用到布局形式,都发生了翻天覆地的变化。
  木头
  最早的飞机是木头飞机,当然机翼也是木质机翼。飞机诞生初期,飞行速度低、载重小,机翼承受的载荷不高,采用木质材料完全能满足使用要求。因此,在20世纪20年代之前,木质结构一直是飞机机翼的主流。
  这一时期的机翼蒙皮常采用涂过清漆的亚麻布,翼肋等骨架结构常用云杉木制作。早期飞机大多采用双机翼。由于飞机动力不够强劲、飞行速度慢,为了获得更大的升力,只能采用增加机翼面积的方式,从而产生了双机翼飞机甚至三机翼飞机。莱特兄弟的飞行者1号,就是一架典型的双翼飞机。
  一战期间最负盛名的王牌飞行员里希特霍芬,曾创下击落80架敌机的惊人纪录。他驾驶的红色的福克Dr-I三翼机也成为那个时代的传奇。
  杜拉铝
  随着科技进步,飞机性能不断提高,飞行速度越来越快,载重也越来越大,木质材料强度不高、易燃易腐的先天不足就显现了出来。谁能取而代之?杜拉铝应运而生。于是,木质机翼退出了历史舞台,金属机翼取而代之,航空史开始进入金属飞机时代。机翼结构材料先后有铝合金、结构钢、钛合金等,而蒙皮则由亚麻布换成了铝。
  由于发动机性能不断提高,飞机飞行速度直线提升,双机翼、三机翼及其繁复的支柱、张线,成为阻碍飞机提速的障碍。于是,人们摒弃了双机翼和三机翼,专注研发单机翼。从20世纪30年代起,双翼机逐渐被单翼机取代。
  再后来,随着飞机速度的不断提高,特别是超声速飞行的实现,机翼形状必须发生适应性演变。相较于早期的平直翼机翼,出现了后掠机翼、三角机翼、梯形机翼、变后掠机翼、前掠机翼等。机翼的功能也得到了极大丰富,战斗机或轰炸机在机翼下布置多种外挂,如副油箱、导弹、炸弹、任务吊舱,机翼内部空间常用来储存燃油、收藏起落架。特别是民航客机,为了保证旅客安全,全部将燃油储存在机翼内,这也催生出了机翼整体结构油箱。
  复合材料
  到了20世纪70年代,复合材料开始在飞机上得到运用,并由次承力构件向主承力构件过渡,先出现了复合材料与金属的混合机翼,后发展为全复合材料机翼。进入21世纪,航空史正式步入复合材料时代。
  复合材料是指由两种或多种不同性能、不同形态的组分材料,通过一定的工艺过程组合而成的一类材料,生活中常见的钢筋混凝土、三合板、石棉水泥板都是复合材料。飞机机翼常采用的碳纤维复合材料,就是通过将碳纤维与树脂在一定温度下固化成形的一种材料。在新一代民用飞机中,空客A380、A350和波音787的机翼均大量运用复合材料。与金属材料相比,复合材料拥有更高的强度和刚度,并且可设计性更强,这样制造出来的机翼重量更轻,气动外形更佳,飞行阻力更小。
  可以预期,随着高效气动技术、主动结构技术、先进制造技术等的进步,特别是纳米材料、智能材料、多功能复合材料等新材料的快速发展,未来飞机的机翼,无论是构型还是材质,都将发生让人耳目一新的变化,可能会出现自主可变机翼、柔性折叠机翼、智能感知机翼,还有像鸟儿那样可扇动的扑翼。
  飞机能够飞翔,就是因为有机翼吗
  这个问题的答案,可不是因为飞机有机翼这么简单。这背后是空气动力学原理。
  两类航空器
  航空器按飞行原理分类,可以分为轻于空气的航空器和重于空气的航空器两大类。轻于空气的航空器,其飞行原理是空气静力学原理,比如热气球、飞艇,靠空气的浮力升空;而重于空气的航空器主要遵循空气动力学原理或反作用力原理,以飞机为代表的固定翼航空器,主要靠機翼的升力支持它在空中飞行。
  两个基本定理
  机翼上产生的升力是飞机与空气相对运动的结果,它基于空气动力学两个最基本的定理:伯努利定理和流体连续性原理。理解了这两个原理,飞机怎么飞起来的就好理解了。
  1.伯努利定理。瑞士科学家伯努利通过研究理想流体运动中速度、压力、密度等参数间的关系,找到了它们变化的规律,即伯努利方程。简单来说,就是流体的流速与其压强成反比,空气流动得越快,空气的压力就越小。
  做一个简单的小试验,能帮你更直观地理解伯努利原理。剪两条等长等宽的纸条,将它们悬空垂直并排摆放,并从上方向纸条间吹气。我们可以发现,纸条不仅没被吹开,反而吸在了一起。这就是伯努利原理的具体体现。因为两纸条间的空气流动,压力变小,而两纸条外侧的空气没有流动,压力相对增大,纸条便被空气往里压紧了。
  2.流体连续性定理。可以简单表述为:根据质量守恒定理,当一定质量的气体流经截面变化的管道时,在同一时段内,流过任何截面的气体质量都是相等的。当空气流速较低时,空气密度变化很小,或者说空气是不可压缩的。这时,你可以想象,气流稳定地流过直径变化的管子时,每秒流入多少空气,也流出等量的空气,所以管径粗处的气流速度较小,而管径细处较大。
  机翼的奥秘
  近距离观察机翼构造,不难发现,飞机机翼上下两侧的形状是不一样的,上面的要凸一些,下面的则要平一些,这正是飞机升力产生的奥秘所在。
  飞机滑跑和飞行时,机翼与空气做相对运动,可以认为空气沿机翼流动。气流流过翼剖面时,可以想象翼剖面放在一个空气构成的大流管中。
  空气流经翼剖面时,相同时间内,翼剖面上侧的空气比下侧的空气流过了更多的路程,也就是说,上侧空气流速快、压强小,下侧空气流速慢、压强大,这就使飞机产生了一个向上的升力。机翼上众多翼剖面的升力之和构成了机翼的总升力。而当飞机滑跑到一定速度,升力超过飞机重力的时候,飞机就飞起来了。
  本文内容来自公众号“航空工业”,ID:avic-2008
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