飛機的摺疊機翼太有意思了!還是美國最會摺疊,堪稱變形金剛!

我國的首艘航母遼寧艦服役的時候,很多人都為之動容。黃皮機身的殲15在航母甲板上展開機翼的時候,不少人都從這個畫面中看到了前所未有的希望。殲15是一款非常大的戰鬥機,是蘇27家族的衍生版本。蘇27家族的機體尺寸非常大,長度一般都在22米左右,翼展14.7米,高度6米以上,最大起飛重量都在33噸左右。這個尺寸和重量已經是戰鬥轟炸機級別的,而傳統的重型戰鬥機你好你好比如F15就要比蘇27小了不少。讓蘇27這種大小的飛機上艦其實倒也不難,只要設計好摺疊機構就可以。我們可以從照片中看到,殲十五的摺疊部分是非常多的,機頭的空速管摺疊,機尾的尾椎摺疊,主翼和平尾都進行了摺疊。雖然摺疊後的尺寸依舊很大,但是已經足夠遼寧艦搭載30架以上的殲15。那麼我們今天就藉著這個來說一說飛機摺疊機翼的話題。


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正如前面說的,飛機機翼摺疊主要是針對艦上使用,我們可以看看陸基機場的飛機,比如像轟6和B52這種尺寸比較大的飛機,往往都是露天停放。即便是有一些比較高貴的飛機也都有專門的機庫,很少會出現陸基飛機還需要摺疊的情況。

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早期的航母其實結構比較簡單,一般都是用民船或者是其他戰艦進行改裝而成的,甲板的結構也很簡單,面積比較小。正因為這樣,如果早期的航母想要搭載更多的飛機,那麼就必須限制飛機的尺寸。一般來說有兩種做法,第一就是修改飛機的整體外形尺寸,第二就是設計摺疊機構。那麼我們先來簡單看看現代戰鬥機的設計,美國的大黃蜂系列戰鬥機主翼外段是可以摺疊的,在摺疊之後其機翼內側的主要掛點可以方便的掛載尺寸更大的武器。而再對比一下法國海軍的陣風M戰鬥機,這架飛機的最大起飛重量已經超過了20噸,是一種非常標準的中型艦載戰鬥機。但是陣風M居然沒有摺疊機構,這是因為它採用了三角翼佈局和鴨翼結合的方式,三角翼的翼展都是比較小的,所以陣風M沒有采用摺疊機構就能保證比較小的佔地面積,同時保證了飛機的整體強度並且降低了重量,的確是一種比較好的設計方式。

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但是早期戰鬥機可不能設計成陣風這樣子,那時候的戰鬥機一般都是接近於平直翼的設計,飛機的翼展甚至比機身的長度還要大,所以飛機的摺疊機構就成了艦載機的重要部分。美國的第一艘航母是著名的蘭利號,也是全世界第一艘真正意義上的航母。早期蘭利號搭載的艦載機並沒有摺疊機翼的能力,這是因為早期的艦載機使用的是雙翼結構,基本是不可能設計出摺疊機構的。而且早期飛機的發動機功率比較小,如果設計非常複雜的摺疊機構,會造成重量增加,降低飛機的性能。

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在蘭利號之後,美國開始建造更多的航母,列剋星敦級就是非常重要的型號之一。列剋星敦級上主要搭載的艦載機是F4F戰鬥機以及TBD1攻擊機,兩者分別代表了兩種機翼摺疊方式。TBD1攻擊機的摺疊方式比較簡單,將機翼的大約一半長度向上摺疊讓飛機的整個尺寸大大的減小。

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F4F戰鬥機的機翼摺疊方式比較有意思,它不像現在戰鬥機那樣向上或者向下摺疊,而是向後旋轉折疊。早期格魯曼在設計摺疊機翼的時候舉了一個例子,用一塊區別針將兩塊橡皮連接起來,等於說是在兩塊機翼之間插入了一個結構,這個結構是主要的受力部件。F4F戰鬥機在主翼的摺疊位置設置了一個非常結實的傾斜軸,這樣做的好處是沒有改變主翼的翼梁,從而使得機翼的結構強度得到了保證,比一般的簡單鉸鏈更優秀一些。F4F的整個機翼幾乎都可以摺疊,因此摺疊完之後整架飛機的翼展從13米多直接降到了不到4米。格魯曼甚至還在可以摺疊的機翼外段安裝了數量眾多的機槍以提高飛機的火力。

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這種摺疊結構其實特別適合一些尺寸比較大的飛機,尤其是那些翼展比較大的飛機。因為鉸鏈結構的機翼一般向上摺疊,雖然摺疊的地方不是很多,但是不太限制飛機機翼的形狀。而格魯曼這種設計不能適用於面積特別大的機翼,只有翼展特別大而且機翼比較瘦長的飛機可以利用這種形式有效的減少佔地面積。美軍現役E2預警機和之前的C2灰狗運輸機都是格魯曼的產品,這兩架飛機的整體結構比較類似,都採用了平直翼結構。

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E2預警機的機身長度只有17.54米,在當時美軍的航母上算是長度比較短的飛機,其長度比美國的F14要短上一些,和大黃蜂比較類似。但是E2系列的翼展長達24.56米,如果不折疊的話,那麼預警機所佔用的面積幾乎能頂兩架一般戰鬥機。正因為此,格魯曼在E2預警機上也使用了類似於F4F戰鬥機的摺疊機構,之前的E1追蹤者預警機也採用了類似的摺疊形式,充分證明這種摺疊性是比較適合尺寸較大的艦載機的。

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不過這些相對比較早的飛機還有一些比較獨特的摺疊方式,這就是英國的塘鵝反潛機,。這架飛機是全世界最醜飛機裡的有力競爭者,機身的比例本來就不好,加上特別長的機翼結構還有肚子下面的雷達結構,使得飛機看起來非常的彆扭。然而英國人設計的摺疊方式也比較奇特,主翼的外段向上摺疊翼尖卻向下摺疊以進一步減少存放的面積。這就使得這架飛機看起來像是紙飛機一樣,被強行的折在了一起。而當它的機翼展開之後,這架飛機的醜陋面貌就暴露無遺。

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那麼現在艦載戰鬥機上用的都是什麼樣的結構呢?在F4戰鬥機服役之前,世界上的艦載機是五花八門的,比如說之前的主力艦載機F4戰鬥機也使用了可以摺疊的翼尖設計,使用的是鉸鏈式摺疊結構。鉸鏈結構與並不複雜,簡而言之就是向上摺疊的時候和機翼上表面連接的部分有一根可以轉動的樞軸,而下端和機翼連接的部分則通過機械結構鎖死,中間還有加強機構與主翼進行連接。但是這樣做有一些缺點,比如F4在服役過程中就出現過機上的插銷沒有鎖死的問題,飛機在起飛不久一側機翼就突然向上摺疊,導致飛機失去了穩定,最終兩名飛行員彈射逃生,飛機墜毀。

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鉸鏈式結構整體來說比較簡單,而且強度很高,但是因為有些飛機的設計不太合理,所以經常導致飛機在飛行過程中主翼突然向上摺疊的事故。前面說到的F4戰鬥機就是發生概率最大的一個,發生過多起在飛行當中機翼突然向上摺疊的事故。正常來說,如果飛機的機翼外側向上摺疊的話,那麼機翼會喪失很大一部分升力,但是F4戰鬥機可以通過下放襟翼來增大升力,所以有很多事故其實後來在飛行員的操縱下降落成功。

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和F4戰鬥機同時服役的F8戰鬥機,也出現過很多這種事故,甚至還出現過機翼沒有放下就起飛的事件。

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F14是一種可變後掠翼飛機,所以它在艦上放置的時候,只要將後掠角調到最大狀態就可以。也正因為這個設計,很多人都覺得可變後掠翼飛機是艦載機的首選方案,其實可變後掠翼雖然算是一種能摺疊的機翼,但是結構重量太大。如果艦載機的尺寸真的可以保證在一個比較合理的範圍內,最好還是不要設計摺疊機構。除了前面說到的可能發生事故外,還有就是增加了飛機的結構重量,此外因為現在的戰鬥機機翼厚度比較大,所以很多飛機都在機翼中設計了油箱,如果飛機要摺疊機翼,那麼摺疊的外段就很難設計油箱。

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F18是美國曾經的主力攻擊機,其衍生型號F18EF依舊是美國航母的重要飛機,F18在上艦之初就是一種艦載機,所以在上艦的時候就已經設計好了非常優秀的摺疊機構。F18的機翼屬於比較細長的外形,飛機的主要掛點都集中在機翼內側,所以機翼外段沒有設計大容量的油箱,也沒有設計特別多的掛點,所以重量比較輕。因此它的摺疊機構看起來比較精密而且簡潔,到了F18的時代,這種摺疊機構已經變成了飛機全自動操作,因此不會再發生起飛之後機翼自動折起來的情況。

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F 35C的摺疊結構其實和F18是比較類似的,都是看起來特別精密特別高端的設計,通過傳統的方式放下或者收起機翼,並且通過一些伺服電機和其他結構收起或者展開。在保證強度的同時也儘可能的維持飛機的表面光滑,所以這種設計是最適合艦載機的。

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俄羅斯我和我國使用的還是正常的鉸鏈式結構,不過和早期F4的那種非常簡單而且容易犯錯誤的鉸鏈是不一樣的。俄羅斯的主力艦載機是蘇33和米格29K,這兩種飛機蘇33比較大,米格29K比較小,但是即便是比較小的米格29的噸位和尺寸都跟美國的F18比較類似。

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米格29K也將機翼的摺疊部分設計在機翼外側的一小部分,這裡的重量相對來說比較輕,所以結構還是較為簡單。起飛的時候機翼自動展開並且鎖定,而降落之後可以控制收起。和F18比較類似的還有米格29K的主要掛點也集中在機身下面或者是機內側,所以這樣的摺疊方式對飛機本身的性能影響比較小,而在緊急執行任務的時候,也方便飛機掛載重型武器。總的來說米格29K的前身是米格29,雖然並不是一款專門設計的艦載機,但是實踐證明這種飛機上艦的效果還是比較好的。


接下來就是全世界目前在役的飛機中摺疊程度最高,摺疊也最複雜的一款飛機,蘇33。蘇33的機長在前面大致說到過,長度超過了22米,正因為如此,其非常長的空速管都可以向下摺疊,以儘可能的減少飛機的長度。而飛機在翼身融合體前部設計了鴨翼,這兩個鴨翼的翼展比較小,所以沒有設計複雜的摺疊機構。蘇27系列一般都有一個比較大的尾椎,蘇33也繼承了這個尾椎,雖然這個尾椎沒有蘇34那麼大,但是依舊不小。同樣為了減少佔地面積,蘇33的尾椎是可以向上摺疊的,我們從可以從摺疊機構裡面看到這個摺疊方式是比較簡單的。

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另外蘇33的尾翼翼展已經和很多輕型飛機相當,甚至比他們還要大,所以這個尾翼也被設計成了可以摺疊的機構,但是因為尾翼的面積比較小,這個摺疊機構也比較簡單。

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蘇33的主翼翼展非常大,主翼的摺疊部分有幾個掛點,一般用來掛載空空導彈和火箭彈,而摺疊機構位於機身的內側。按道理來說這樣的設計其實不好的,因為影響了飛機的掛載能力,同時還影響了飛機的總體載油量。但是這兩個缺點在蘇27這裡來說不叫缺點,首先蘇33機身內部的載油量非常大,因此不在乎機翼裡面那點油。同時外段主要用來掛載空空導彈而翼下和機身下面又有很多掛點可以掛載一些較大的武器。所以這種設計雖然有缺陷,但是在蘇33這種大型飛機面前並不叫缺陷。真正的缺陷在於飛機本身,因為蘇33很難使用一些先進的武器,如果像F15那樣可以使用一些激光制導炸彈或者先進的攻擊武器,它就可以將這些導彈或者炸彈掛在機身下部或者進氣道下方,這樣一來就減少了工作難度,增加飛機的打擊能力。

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蘇33的摺疊部分長度比較長,所以設計了非常精密的鉸鏈結構,和F18以及F35C那樣的高科技精密感不一樣,蘇33倒是非常有一種機械化的味道,而且粗壯的鉸鏈能保證飛機的飛行強度,誰讓蘇33這麼大呢。

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從外形照片上來看,我國殲15的摺疊機構和蘇33是比較類似的,實際上兩者的血緣關係也比較近,所以比較類似是很正常的,這樣一來可以減少一些不必要的麻煩。不過問題在於我國的殲15是一種在殲11B的基礎上綜合烏克蘭技術研製的先進艦載戰鬥機,整體的技術性能其實要比蘇33先進的多。僅僅從殲15上掛載的先進空空導彈以及其他精確制導武器就能看出來。總之殲15和蘇33可能是目前全世界摺疊機構最為複雜的艦載機,這和其巨大的機身尺寸是分不開的。不過這倒也有個好處,因為機身尺寸比較大,所以相應的掛點和起飛重量也就更多,戰鬥中可以攜帶更多的武器,作戰更為靈活,所以未來殲15在我國海軍中扮演的角色和F18EF比較類似。

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目前我國似乎已經確定要將殲31當做新的艦載機,從結構上講,殲31要上艦的話,必須改進和加強機身結構,同時尤其要加強殲31的起落架結構,艦載機在著陸的時候衝擊力是非常大的。除此之外,殲31的整體尺寸也要比F35C稍微大一點,沒有像陣風M那麼小,所以殲31也要設計比較成熟而且實用的摺疊翼技術。之前有數據表明殲31的機翼比較薄,比較薄的機翼一般不用考慮油箱,所以對飛機整體性能的影響比較小。但是薄機翼會讓摺疊機構更難設計,整個機構要更為緊湊簡單,不過以殲15這麼複雜的摺疊設計來看,我國搞定這個真的不是問題。

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那麼在最後,還有哪些比較奇葩的摺疊方式呢?第一個說的是民航飛機,筆者有很多朋友在坐飛機的時候當飛機的機翼或者其他可動部件運動的時候往往都會覺得非常害怕,好像覺得這些鬆散的板件萬一掉了飛機豈不是要完蛋。民航飛機對飛機的尺寸一般都有明確的要求,一般來說飛機的翼展和長度不能過大,否則會在機場調度的時候帶來很多不必要的麻煩,嚴重的甚至有可能相撞。波音777X的翼展為71.8米,波音特意為這架飛機設計了可以摺疊的翼尖結構,摺疊後它的翼展能縮短到64.8米。早期的F4和F8經常出現機翼沒有放下來導致飛機出現事故,那麼以波音這幾年的情況來看,波音777X會不會也在飛行當中出現機翼突然崛起的事故呢?

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777X的摺疊機構也是比較可靠的鉸鏈式結構,但是為自動控制,可以在飛行過程當中由飛機電腦自行決定收起還是放下,也可以讓飛行員手動選擇。即便飛行員在飛行過程中沒有放下摺疊翼,飛機也會自動在飛行當中放下,所以安全性是不用懷疑的。而且這個摺疊機翼部分只有三米多,相對於70多米長的翼展,不會影響到飛行安全,但是會顯著減少飛機在機場當中遇見的問題,而且能夠降低一部分油耗,總的來說對航空公司還是有益處的。

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要說到最奇怪的摺疊機,那麼還得看美國海軍和海軍陸戰隊。如果不考慮隱身結果的話,卡莫夫直升機其實是最適合海軍艦艇的直升機,雖然整體的尺寸比較高,但是在旋翼進行摺疊之後,它的長度和寬度都是比較小的,所以很適合軍艦。但是因為各國都流行起軍艦隱身技術,而過高的機庫會導致飛機的軍艦的隱身面積變大。所以在我國,卡莫夫直升機一般都搭載在比較老的軍艦上,而新軍艦已經確定要使用直20直升機。直20有個問題,它是一種單旋翼帶尾槳直升機,飛機本身的尺寸不算大,但是因為旋翼和尾梁的結構,整體還是不小的。如何設計直20的摺疊機構也成了直20上艦難的一個問題,不過我們還得看看直20的原型黑鷹直升機。

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黑鷹直升機在美國非常的成熟,很多軍隊目都在使用黑鷹或者黑鷹的衍生機型,比如美國海軍和海軍陸戰隊經常使用的海鷹反潛直升機。由於海鷹直升機主要搭載在一般的護衛艦和驅逐艦上,這類飛機這個軍艦的機庫面積是顯然要小於航母和兩棲攻擊艦的,因此摺疊機構是必不可少的。海鷹直升機的摺疊機構非常有意思,首先主旋翼向後摺疊,同時尾樑上的尾翼摺疊之後將尾梁向前摺疊,這樣可以讓海鷹以一種非常彆扭的方式將尺寸減少到比我國直9還要小的地步。也正因為此,美國的佩裡級護衛艦作為一種和054A噸位相當的軍艦,都可以搭載兩架海鷹反潛直升機,這就足以見到飛機摺疊機構的優勢。

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不過要真說摺疊能力,那麼美國海軍陸戰隊所裝備的MV22魚鷹傾轉翼飛機可以算是飛機中的瑜伽高手。MV22是一種傾轉翼飛機,所以擁有非常大的翼展,而且在機翼兩端安裝了直徑非常大的兩個螺旋槳。如果不折疊的話,即便是航母和兩棲攻擊艦這樣的龐然大物,也很難搭載大量MV22。因此貝爾在設計這架飛機的時候,特意設計了非常複雜的摺疊機構。

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首先飛機的每一片螺旋槳槳葉都可以進行摺疊,MV22魚鷹的螺旋槳和直升機的旋翼結構是不一樣的,所以它的摺疊機構相當於把每一扇槳葉都當做機翼去摺疊,可想而知它的精密程度有多高。由於摺疊後還存在著非常大的主翼,貝爾沒有將機翼進一步摺疊,而是採用了旋轉的方式,讓機翼旋轉90度和機身平行。這樣一來魚鷹相當於用了一套瑜伽功力把自己變成了和一般直升機相差不大的體型。要知道MV22的長度為17.5米,旋翼轉動的時候其翼展達到25.8米,這樣的尺寸甚至比美國海軍航母上使用的E2預警機還要大。而最大起飛重量已經達到了27噸,堪比一些重型戰鬥機。

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其實從這些大大小小的摺疊結果就可以看出來,美國因為一直非常在意航母和艦載機的發展,所以美國的在這方面的工藝是非常深厚的。除了一般的摺疊機翼,他們甚至還可以摺疊旋翼,摺疊機身,而且在飛行事故當中幾乎沒有出現過多少有關於摺疊機構的事故,MV22雖然事故比較多,但是大多數都是因為操作失誤造成的,其整體的安全性在美國海軍陸戰隊所服役的飛機當中還是算高的。可以說摺疊機構代表著美國海軍發展的優勢,不管是我國還是俄羅斯,想要發展更為強大的海軍甚至海軍陸戰隊,都要在摺疊機構方面花大功夫。畢竟艦載機摺疊結構我們之所以放在文章的最前面,是因為它的結構還是比較簡單的,而直升機和傾轉翼飛機這種比較先進的機型,就需要更加優秀的摺疊機構,這樣才能增加航母的作戰效率,對海軍而言是很重要的。

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