結構
前面我們已經瞭解到，產生升力所需的功率表現為飛機載荷的平方。因此，我們很容易理解為什麼設計師總是在尋求使飛機結構輕型化。當然，我們在希望有一個輕型的飛機結構的同時，也希望它足夠強大，可以承載一定的載荷而不破裂。
飛機通常是根據特定的載荷要求設計的。例如，大型運輸機在機 動飛行時需要承受2.5g的極限載荷。這就意味著，在機動飛行時，其機翼必須能夠承載相當於飛機總重量2.5倍的載荷。在此基礎上，還需添加一個1.5倍的安全係數。特技表演飛機極限載荷設計要求一般須達到6g。
飛機的結構設計是強度與重量的一種微妙平衡，其目的是使飛機重量儘可能的輕，同時又使結構強度滿足所有的載荷規範。面對任何一種結構，許多人想起的第一個問題就是：這種結構足夠堅固嗎？
如果我們回顧一下飛機墜毀的歷史記錄，就會發現，自20世紀30年 代中期以來，商用飛機出現結構故障的情況是非常少的。今天，即使是輕型飛機，在飛行中也幾乎不會出現結構問題。然而，航空事故報告經常稱結構故障是飛機失事的一個原因，但它就像下述報道的情況一樣，“汽車開下懸崖，跌落達200英尺，在地面墜毀，車身結構損毀”。在你下一次乘坐航班飛行時，如果看到機翼在湍流中跳動，你不用擔心機翼會脫落， 因為它們不會。
一、機翼與跨接
最簡單的機翼結構只有一根橫樑。就好像放一根木頭搭到河對岸，形成一座原始的橋。但是，如果這根木頭夠不到彼岸的話，你就只能製造一個簡單的懸臂樑，或者叫一個跳水板。簡單的巴爾沙木玩具飛機使用的是一個平板翼，但其不過是一個簡單的懸臂樑而已。因此，從最簡單的意義上說，固定翼飛機的機翼就是一個懸臂樑，一端固定在機身上，另一端懸空。
機翼上那些承載載荷的橫樑被稱為桁架。桁架隨處可見。大部分現代建築的“骨架”都是桁架，如橋樑。圖9-1顯示了一座典型的鐵路棧橋，可說明桁架的應用。早期的飛機在其結構設計中便應用了桁架概念。圖9-2 所示的飛機機翼就是一種桁架。
在飛行的早期階段，人們認為，為了減少阻力，機翼必須是超薄型的。 但超薄機翼缺乏厚度，人們沒有辦法在一個完全封閉的機翼裡建造一個足 夠強大的桁架結構。因此，那個時代的大多數飛機採用了雙翼結構，如圖9-3 所示，上下雙翼用支柱和張線加強。但從空氣動力學角度來說，這種外部支撐物的存在可能會導致非常高的阻力。
在第一次世界大戰後期，德國研究生產了一種較厚的機翼，這種翼型的阻力不比當時任何更薄的機翼的阻力更大。但其更多的支撐結構嵌人在機翼內部，因此只需要較少的張線與支柱。
採用桁架結構的最著名的飛機包括福克Dr.l三翼機、福克D.VII、福克D.VIII等機型。福克Dr.l三翼機曾經獲得了傳奇般的地位，因為當時的“紅男爵”曼弗雷德•希特霍芬在駕駛這種飛機時不幸中彈犧牲。但這只是一種過渡機型，其後來的發展並不是很成功。福克Dr.l 三翼機是首批使用懸臂樑機翼的飛機，如圖9-4所示，原型機甚至沒有弦外支柱。福克D.VII飛機被認為是第一次世界大戰中德國最好的戰鬥機。值得注意的是，與圖9-5所示的SPAD XIII飛機相比，圖9-6在第一次世界大戰後期，德國研究生產了一種較厚的機翼，這種翼型 的阻力不比當時任何更薄的機翼的阻力更大。但其更多的支撐結構嵌人在機翼內部，因此只需要較少的張線與支柱。
採用桁架結構的最著名的飛機包括福克Dr.l三翼機、福克D.VII、福克D.VIII等機型。福克Dr.l三翼機曾經獲得了傳奇般的地位，因為 當時的“紅男爵”曼弗雷德•希特霍芬在駕駛這種飛機時不幸中彈犧牲。但這只是一種過渡機型，其後來的發展並不是很成功。福克Dr.l 三翼機是首批使用懸臂樑機翼的飛機，如圖9-4所示，原型機甚至沒有弦外支柱。福克D.VII飛機被認為是第一次世界大戰中德國最好的戰鬥機。值得注意的是，與圖9-5所示的SPAD XIII飛機相比，圖9-6中所示的福克D.VII飛機上缺少機內張線。到第一次世界大戰結束時，福克研製出了單翼機——福克D.VIII飛機。該機完全釆用了懸臂式、大展弦比機翼，具有了現代飛機的元素。早期的飛機通常由木框架製成，上面覆蓋著棉織物。其翼載很輕，棉線只須支撐50 ~ 100牛/米2的載荷。如圖9-2所示，來自棉線的載荷傳遞給翼肋，再傳給由桁架構成的機翼。機翼會將載荷傳遞給翼梁，一般來說，機翼前後有兩根翼梁。在這種類型的結構中，機翼可以被設計得很輕巧且很堅固。對於速度較低的較小型飛機來說，人們至今還在沿用這樣的結構設計。
錫特卡雲杉
1917年，當美國加入第一次世界大戰時，進行了大規糢的動員工作來建造飛機以提高戰鬥力。當時最需要的是製造飛機的原材料。製造木材飛機的最好材料是古老的錫特卡雲杉。錫特卡雲杉具有較高的強度重量比，紋理很長、很直，極少有瑕疵，如木節等。美國西北太平洋地區的錫特卡雲杉資源非常豐富。當時，大約有30000名年輕 男性平民和士兵被送往華盛頓州南部與俄勒岡州北部沿海地區採伐錫特卡雲杉。1918年10月，超過2200萬板尺的雲杉板被運到工廠。 由於這種努力，太平洋西北地區木材工業獲得了騰飛。但到了今天，古老的錫特卡雲杉幾乎絕跡。
應當指出的是，當今許多輕型飛機都採用了同樣的結構設計，只是人們用鋁質蒙皮取代了棉纖維，甚至極少數飛機仍在使用纖維織物。當然, 它們使用的是一種合成物質，如滌綸或厚尼龍等，而不是棉線，因為棉線容易腐爛。在桁架結構中，鋁質蒙皮並不比棉質蒙皮承載的載荷更多，之所以使用鋁質蒙皮是因為該材料的使用壽命比較長而已。
第一次世界大戰之後，經過10多年的發展，懸臂式單翼飛機才開始流行。同時，人們開始釆用比鋼輕得多的鋁合金材料。翼載也越來越大， 機翼蒙皮開始被要求承擔一些彎曲載荷。20世紀30年代初，人們設計出了首架應力蒙皮飛機。不過，在應力蒙皮飛機出現之前，有關波紋狀蒙皮的簡單試驗已經開始進行了。
波紋狀蒙皮可以有效承載負荷，因為沿波紋軸方向的彎曲非常困難。 在將某種材料做成波紋狀後，相同的重量可以承載更大的負荷。例如，在紙板盒內部使用波紋狀可以使其朝一個方向變得更堅硬（順著波紋摺紙板盒相當容易，但逆著波紋就很難）。有幾種著名的飛機採用的就是波紋狀金屬蒙皮，如圖9-7所示，容克Ju-52在20世紀30年代是德國使用最廣泛的交通工具。此外，在20世紀20年代末和30年代初，亨利•福特進行了一系列航空試驗，並製造了福特三發飛機（見 圖9-8)，其也使用了波紋狀蒙皮。然而，波紋的 使用是有限度的，因為波紋必須要與氣流的流動 方向平行，否則阻力就會大大增加。此外，波紋 增大了機翼表面積，因而也增大了阻力。在飛機 製造領域，波紋狀蒙皮的應用是短命的
早期，人們將棉花紡織成結實 的棉線簡笮地縫在機翼的翼肋上。這項工作一般僱用裁縫來完成。
亨利•福特嘗試成為飛機制造業的領導者，他所研發的福特三發飛機於1927年成為世界上首種成功的商用飛機。
20世紀30年代初期，波音公司設計了波音247飛機，許多人認為這是世界上“第一種先進的客機”。它釆用了收放式起落架、著陸襟翼和恆速螺旋槳，也使用了應力蒙皮。蒙皮承擔了部分的彎曲載荷。在理想的機翼結構中，所有部件都應根據橫截面面積承擔相同的載荷。與壓力概念類似，單位面積上的載荷被稱為應力。優化設計的機翼結構可以平衡應力，使得所有結構件上的應力水平相等。波音247飛機是最早做到應力平衡的機型之一。這種飛機催生了道格拉斯DC-3飛機（見圖9-9〉，該飛機也採用了應力蒙皮。由於結構堅固，目前人們仍能看到DC-3飛機在飛行，當然，現在距 離該機型推出已過去70多年了。
二、機翼翼盒
現代化運輸機的機翼的主要結構是一個很大的空心梁，稱為翼梁。圖 9-10所示的是機翼翼盒的根段，翼梁在此連接到機身上。翼梁的頂部和底部分別為機翼的上下翼面。前部和後部分別是前翼梁與後翼梁。在蒙皮裡側，可以用加強肋對翼梁進行加強。翼肋可以在垂直於翼盒軸的方向承載各種彎曲、扭轉載荷等。機翼翼盒同時也是一個儲存燃油的理想場所。 在現代化噴氣式運輸機的設計中，機翼翼盒內能夠裝載的燃油數量是機翼大小和飛機航程的制約性因素之一。
現代化噴氣式飛機機翼的結構，與第二次世界大戰之前使用（今天仍然在許多輕型飛機上使用）的飛機的機翼結構存在本質的區別。機翼翼盒承載了所有的彎曲和扭轉載荷，而過去的飛機則是由輕型蒙皮承載這些載荷並轉移到翼肋上, 最後由一根或兩根翼梁承載。現代運輸機使用的蒙皮代了纖維式或薄片鋁蒙皮，厚6 ~ 10毫米，但它們只是翼梁的一部分。
目前，人們對各種材料的性能的認識已經非常豐富，因此設計師可以在機翼底部和頂部釆用不同的鋁合金做蒙皮。在正常飛行時，機翼的底部處於鬆弛狀態，而頂部處於壓縮狀態，如圖9-11所示。因此，這些部位必須採用適合於壓縮或拉伸的材料。此外，還必須考慮材料的剛性。B-52轟炸機從地面滑行到以最大過載拉起時，其機翼翼尖偏轉可達8米，如圖9-12、圖9-13所示。圖9-12顯示的是B-52 轟炸機在地面滑行時的狀態，此時機翼需要一個支撐輪，以防止翼尖碰到地面。圖9-13所示的是B-52轟炸機左側翼尖在空中向上彎曲的情形。
在機翼中存儲燃油使飛機具有了額外的優勢，即其重量抵消了部分升力載荷，從而減輕了機翼結構的負擔。四發飛機也具有相同的優勢，因為其機翼外側懸掛的發動機也可以抵消部分升力載荷。
機翼的前緣和後緣裝置通常分別連接在前翼梁與後翼樑上。這些裝置包括襟翼、擾流板、前緣增升裝置等。請留意圖9-12中所示的襟翼。設計人員需要權衡一下機翼翼盒的大小以及連接在機翼翼盒上的增升裝置的大小。較大的機翼翼盒可以使機翼更加強固，從而能攜帶更多的燃油，但是其提供的襟翼空間更小。而較小的機翼翼盒有助於機翼提高增升能力，但會減少航程。
三、什麼是複合材料？
鋁合金的應用改善了飛機的性能。但這些合金技術，以及將這些合金用於設計的工具目前都已經達到了一個極限。因此我們必須尋求新材料，繼續追求更輕的且更堅固的結構。這些新材料包括碳纖維、芳綸、碳纖維增強塑料（碳纖維布）等。
關於複合材料的使用，已經經歷了很長時間。從技術上講，膠合板就是一種使用木板和膠水的複合材料。第二次世界大戰時，英國軍隊投入使用的“蚊”式輕型轟炸機，就是釆用膠合板作為蒙皮的。這使得該型轟炸機變得極其輕巧敏捷。另外，玻璃纖維也是一種常見的複合材料，其已在高性能滑翔機上使用了幾十年。在軍用飛機和運輸機領域，複合材料的應用也在慢慢發展，其首先應用在次結構件中，後來慢慢地擴展到主結構件中。
四、複合材料的性能
要了解複合材料如何工作，首先我們必須瞭解翼梁在載荷作用下的一
些基本性質。圖9-11顯示的是翼梁在載荷下的彎曲，其上表面被壓縮，下表面被拉伸。材料在拉伸與壓縮時的反應是不同的。你可以向外拉著繩子的兩端，但你不能朝裡推它們。你可以向裡推一堆鬆散的磚，但不能向外拉它們。
在鋼材被投入使用之前，所有的大型建築物都只能被壓縮，而不能被拉伸。因為石頭和磚塊用砂漿混合在一起，沒有強大的張力。而今天，人們將混凝土済築在鋼筋矩陣上，從而加強了混凝土的張力。複合材料類似於混凝土和鋼筋的組合。將樹脂（如環氧樹脂或其他塑料聚合物）與石墨、芳綸或硅玻璃等纖維混合，會極大地增強纖維的張力，同時增強樹脂的載荷承載能力。在一個給定的重量下，石墨複合材料的張力比鋁合金更強，而壓縮能力大約相同。
剪切力的試驗
下面我們使用衛生紙的卷軸來做試驗，瞭解一下剪切力如何影響機箕結構。首先用手掌將卷軸夾在兩手中間，並試圖扭曲它，你會發 現，卷軸相當硬。現在，用一把剪刀，沿卷軸的整個長度剪開。這時， 當你再次試圖扭曲它時，卷軸便不能承受扭矩了。原因是在剪切開的卷軸中無法傳遞剪切強度。
在複合材料結構中，人們可以使用石墨環氧樹脂、玻璃纖維、芳綸纖維建造一個I型梁，並使用其他材料來填充。例如，使用硬泡沫填充在梁頂和梁底之間。由於此時承載載荷的體積更大，因此I型樑上的壓力非常小。這種類型的結構被稱為蜂窩型結構。
我們可以將以上這個設計方法延伸，例如，大型面板也可以在頂 部和底部使用複合材料或金屬，而在其內部使用硬泡沫或其他輕型的材料。這樣設計的面板的應用範圍很廣，包括商用飛機的地板。這種面板很輕，但堅固。
五、疲勞
對於運營效率較高的航空公司而言。一架飛機一天可以運營16小時。 如果飛機用於短程航線，那它一天可能會經歷8 ~10個起落。一個起落被稱為一個飛行週期，那麼飛機的設計壽命一般可定義一定數量的飛行起落。在設計機翼結構時，應該考慮機翼在每個飛行週期中經歷的載荷變化。
如果我們拿一個曲別針來回彎曲，大約12次之後曲別針就會折斷。 同樣，機翼每一次的起飛和降落，也像曲別針一樣來回彎曲，從地面下垂 狀態到向上托起。我們當然不希望機翼在12次的飛行週期之後就折斷。 事實上，對於飛機上的許多部件而言，其尺寸的設計不是由極限載荷決定的，而是由其疲勞壽命決定的。如果該部件必須經受住3萬~4萬個飛行週期，那它必須非常耐用。
除了在設計時考慮疲勞壽命之外，在日常運營中我們也要不斷檢查飛機結構。所有的通用飛機每年都要求檢修一次。只有有認證資格的技工才 能對飛機的關鍵部件進行檢查，以確保沒有疲勞裂紋或發生腐蝕。商用飛機都有規定的檢查時間表，一般性的檢查每100飛行小時進行一次，最全面的檢修被稱為D檢，每隔數年一次。在進行D檢時，飛機需要被拆卸，使結構裸露，以供詳細檢查。這個過程可能長達一個月。
六、小結
飛機結構的理想狀態是：每個部件在極限載荷下才報廢，在經歷要求的飛行週期後才發生疲勞。這樣的結構狀態可以保證飛機在正常運行時不會失效。並且，在這種結構狀態下，飛機沒有任何的安全裕度（有裕度就意味著需要增加額外的重量）。
然而，現實情況是，飛機通常被設計得過於安全了。如果飛機不符合相關條例要求，就不能獲得認證，但對於超過這些條例要求的卻沒有獎勵。由於設計一種大型飛機所需的費用很昂貴，波音公司和空客公司研製的大型運輸機的性能通常接近於能夠容忍的下限。而小型通用飛機的很多性能一般都比規章要求的標準高，這意味著許多單個 零件有多餘的安全裕度，更堅固且更重，但這並不意味著整個飛機有多餘的安全裕度。
飛機結構設計的首要目標是以儘可能輕的重 量承載所需的飛行載荷。遵循這一目標，木質飛機逐步發展成為應力蒙皮複合材料飛機。當今，人們可以使用最先進的輕質材料和最先進的設計 與分析工具來設計飛機結構。這樣設計出來的飛機結構效率非常高。
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