03.04 為什麼在飛機上看機翼,機翼就像是軟的一樣來回搖擺?

MQX2005


聖賢老子在《道德經》中說道:至剛易折,上善若水。孔子也說:弓滿易斷。所以飛機的翅膀也不是至剛至強,而是通過優益的結構和大量複合材料保持很大的彈性。

飛機在天上時,升力大於重力,合力作用在機翼上,承擔飛機全部重量,機翼是向上翹起的。

而當飛機降落在陸地上時,機翼受自身重力影響,再加上機翼下掛著的沉重發動機,所以機翼會下垂。

在各種力的作用下,機翼不斷髮生形變。如果機翼完全剛性,變形很快就會將機翼折斷。為了避免這種情況的發生,所以機翼必須保持彈性。

▲機翼彈性測試

以空客a350xwb客機為例,翼展64.75米,翼尖最大向上彎曲5.2米,波音787客機,翼展60.1米,翼尖最大向上彎曲7.29米。彈性堪比橡膠,簡直逆天。

擁有如此優秀的彈性,得益於優秀的結構設計和大量複合材料的運用。複合材料比例高達50%,以至於這兩款飛機被人稱之為“塑料飛機”。機翼良好的彈性,可以優化氣動性能,提高效率,降低油耗,更加環保。

▲飛機靜力測試

每一架飛機在交付之前都要經過嚴格的靜力和疲勞損傷容限試驗。測試合格,滿足嚴苛的安全標準之後才能交付客戶使用。客機能夠承受3個多g的過載,而實際過載遠遠小於這個數值。所以平時飛行中機翼的變形程度,要比試驗中小得多。

雖然坐在飛機上看機翼上下晃動,讓人覺得心驚肉跳,但其實非常安全,大可放心。


和風漫談


我們首先要知道,剛度和強度是兩回事。

一個物體,比如說,一個彈簧,你在給他一個力的情況下,他壞不壞,本質上跟他的變形時沒有關係的。一根很軟的彈簧,可能變形很大,但是就是不會壞,而一根很硬的彈簧,沒什麼變形,但是最後卻斷了。

這就是剛度和強度的區別。剛度就是一定的外力條件下物體抗變形的能力,強度就是一定外力條件下抗斷裂的能力。一張紙,你拉住兩端,雖然紙沒什麼變形,但是了力稍微大一點兒,紙就撕裂了,這就是剛度大而強度低。而你拉住皮筋,皮筋被拉的很長,但是就是不斷,這就是剛度小而強度大。

先進飛機上的複合材料剛度都比較低。

現在衡量一個飛機先進與否(尤其是民用飛機),一個很重要的指標就是這個飛機用了多少複合材料。原來飛機上大量使用的鋼、硬質鋁和鈦合金等等,好是好,剛度高、強度高,但是有一個致命問題,就是重量高。在每一千克重量都很要命的航空飛行器上,顯然不是最好的選擇。

這個時候,複合材料就發揮出來它的作用了,因為複合材料有個非常好的優點,就是它的密度實在是太低了。鋼的密度一般是7.8噸每立方米,鈦合金的密度差不多時4.5噸每立方米,鋁最輕,只有2.8噸每立方米,但是,複合材料的密度大部分都是低於2噸每立方米的,甚至於有的只有一噸每立方米。比如說上圖的碳纖維材料,其密度一般就是1.5噸每立方米左右。

比如說被人們稱為夢幻飛機的波音787,一架飛機上就用到了23噸碳纖維,通過使用複合材料可以減輕超過15噸的重量。同樣,空客的A350也是使用了超過52%的複合材料。

那麼使用複合材料跟機翼變形有什麼關係呢?很簡單,因為複合材料有個很大的問題,就是剛度普遍比較低。所以飛機上大量使用複合材料,一定會導致飛機剛度的下降——而帶來的最直接的影響,就是機翼變形非常大(而老一點兒的飛機可能機翼剛度就要高很多,你看到的變形不是那麼大)。就比如說上文提到的波音787,其機翼就幾乎完全採用複合材料,而一架飛機能夠飛起來,其機翼上承受的力是很大的。所以機翼剛度低、受力大,自然變形就很大,根據相關的介紹,波音787在飛行狀態下,機翼的翼尖居然可以上揚7.9米——幾乎就是三層樓的高度了。下面這張圖就是展現了波音787飛行狀態下機翼變形的誇張程度。

有人會擔心,變形這麼大,不會壞掉嗎?

變形這麼大,很多人看著就害怕。但是實際上這只是人的錯誤經驗在作怪,認為結實就是剛度高(比如說一把塑料尺彎起來軟軟的,感覺就是不如鋼尺結實),實際上這種擔心是大可不必的。就好像文章一開始說的,剛度和強度是兩回事。皮筋你看著軟乎乎的,實際上不容易被拉斷。飛機上的複合材料一樣,看著軟軟的、容易變形,但是實際上這種材料的強度要遠遠高於鋼。比如說波音787上的碳纖維T800S,其強度就是鋁合金高上接近十倍。


而且一種材料能夠在飛機上用,一定是經過反覆的、嚴格的試驗的,不可能科學家一拍腦袋就往飛機上用。下面這張圖就是在地面上做飛機機翼的強度疲勞試驗,一方面我們可以看到機翼的變形是有多誇張,另一方面我們也可以知道,這種誇張的變形早就在科學家的掌握之中,他們都做過大量的試驗,表明這種變形不會造成飛機的損壞。


航小北的日常科普


因為機翼存在一定的柔性,同時在空中時,機翼是主要承力部位,當氣流發生波動時,機翼就會有一定的震顫。

目前大部分飛機的機翼都是由鋁製蒙皮、橫樑、翼肋、縱梁等組成的綜合體,內部一個個隔板隔開不同的腔室可以存儲燃油,有的飛機油箱還具有調節機翼載重的功能。

通常在地面時,機翼內存儲了幾噸乃至幾十噸的燃油,是略微下垂的,到了空中以後,機翼由於上下翼面不同,空氣高速流過後產生上下壓力差,從而產生了升力。

此時機翼承擔著幾乎整個飛機的重量,此時機身就會略微低於機翼。對於大部分飛機而言,這個形變並不算很大,對於複合材料機翼的A350XWB和波音787而言,其機翼有更強的韌性,同樣重量形變更大,某種程度而言,降低了飛行時客艙的震動,提高了舒適性。

在飛機設計之初,其機翼就可以有很大的形變,其產品合格測試包括機翼疲勞和靜力載荷測試等。

疲勞測試是指,飛機機翼要能夠反覆的上下摺疊數萬乃至數十萬次,其機翼和翼根處的材料疲勞損傷不超出一定範圍。

每次飛機在地面,機翼向下壓,空中時向上翹起,這種反覆摺疊會使機翼尤其是翼根處產生金屬疲勞。當疲勞應力達到一定程度時,機翼的可靠性就會下降。

靜力載荷測試是指,機翼最大能夠承受的載荷是幾倍機體重量。通常設計時可達2.5-3個G的機身重量,極限是4個G左右。當達到極限值時,機翼甚至能與飛機橫軸呈60-70度角,看起來很誇張。

而飛機正常飛行過程中,其過載通常都在2G以下,也就是機翼承載的重力不會超過兩倍最大飛機載重值,所以其安全範圍還是比較大的,大家大可以放心。

採用複合材料的機翼,能更加節省材料,減輕重量,減少油耗。因此,在客機方面,複合材料是未來的趨勢之一。缺點就是容易導致周圍金屬腐蝕,抗撞擊能力強----但是撞擊後形變小更容易破損,抗剪切力能力差,耐高溫和磨損能力差等。

不過隨著複合材料的不斷髮展,碳纖維複合材料、玻璃纖維複合材料、石墨複合材料、石英複合材料等,可以讓飛機制造有了更多的選擇。

從而也就有了A350XBW和波音787的柔韌複合材料機翼,在飛行時,翼尖可升高三米左右,更大負載時,甚至可達7米多。

對於更大的飛機,比如A380這樣的,還會設計有翼尖油箱,在地面時,翼尖油箱沒有油,升空以後會把一部分油轉移到翼尖,從而減少機翼的形變。


只有相思


這個問題解釋起來不難:

1.形象點說,機翼本身不是一整塊實心大鐵塊,而是由框架+蒙皮組成的,可以在一定範圍內擺動。

至於可以擺動範圍有多大呢?看看下面A350機翼的極限測試:

而例如B52這樣翼展50多米的巨無霸,機翼擺動起來,翼尖高差據說能到九米。

2.為什麼會擺動?飛機之所以能飛,依靠的就是空氣留經機翼時,上下表面流速不同產生的壓力差,形成升力。

而天空中的空氣密度、氣象條件不是恆定不變的,飛機在飛行過程中,機翼不同部位的上下壓力差不是完全一致的,作用在機翼上就會形成不同程度的形變,看起來就像一直在擺動。


深藍防務


問題問的有點不清楚。

在飛機上看機翼,不會看到上下襬動的。機翼會向上翹起,那是機翼在承受飛機的重量。

就像一個人站在一個跳板上,兩端固定,中間懸空。木板會向下彎曲。就像繩子中間往下垂一樣。

機翼左右擺動是調整飛機姿態,保持橫向穩定性。此時上下襬動的是副翼,不過擺動幅度很小。


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