飛機(jī)機(jī)翼能彎曲到什么程度？

機(jī)極級技

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飛機(jī)在進(jìn)行靜力試驗(yàn)時(shí)，被“五花大綁”固定起來。其中，機(jī)翼部分會根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求被鋼纜吊著上下擺動。(周逸云/繪)
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前段時(shí)間，有一張A350XWB機(jī)翼靜力試驗(yàn)的動圖（GIF圖），在微信朋友圈、微博、知乎等平臺上廣為流傳。圖中的飛機(jī)被五花大綁著，而機(jī)翼部分被多條鋼纜吊起來，像小鳥揮舞翅膀一樣上下擺動，其彎曲變形幅度之大令人驚嘆，讓人不禁要問：飛機(jī)機(jī)翼到底能彎曲到什么程度？

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“塑料”飛機(jī)為“逆天”變形提供可能

我們可以先用手邊的工具做一個(gè)比較簡單的模擬。比如你手里拿了一把30厘米刻度的塑料直尺，首先將直尺的一端固定，然后用手把直尺另一端向上提升。這把直尺能夠彎曲的程度就是看沒有被固定的一端被提起的高度。那么，飛機(jī)機(jī)翼能彎曲到什么程度呢？

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這里有一組直觀的數(shù)據(jù)。A350XWB機(jī)翼翼展為64.75米，翼尖最大向上彎曲約5.2米。被稱為夢想客機(jī)的波音787機(jī)翼翼展為60.1米，翼尖最大向上彎曲達(dá)到7.9米。可見上述兩款最新機(jī)型特別是波音787飛機(jī)的機(jī)翼彎曲程度堪稱“逆天”，隨之而來的疑問是：如此大的變形是如何實(shí)現(xiàn)的？

材料是最主要的因素之一。如果仍以直尺作一個(gè)不太恰當(dāng)?shù)谋扔?，同樣長度的兩把直尺，一把是塑料的，一把是鋼的，給它們施加同樣的力去提升，所能夠達(dá)到的程度肯定是不一樣的。

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對于當(dāng)前的飛機(jī)制造來說，復(fù)合材料用量是衡量一款飛機(jī)先進(jìn)性的主要標(biāo)志之一。而A350XWB和波音787飛機(jī)的復(fù)合材料用量均高達(dá)50%，高比例的復(fù)合材料用量讓這兩款飛機(jī)被冠以“塑料飛機(jī)”的美譽(yù)。不僅如此，在其復(fù)合材料使用中，為飛機(jī)提供升力的機(jī)翼主結(jié)構(gòu)采用了復(fù)合材料設(shè)計(jì)，這為機(jī)翼的“逆天”彎曲變形提供了可能。

復(fù)合材料究竟有什么“魔力”能讓機(jī)翼出現(xiàn)如此大的彎曲？簡單來說，這是因?yàn)閺?fù)合材料具有較高的比強(qiáng)度、比剛度。當(dāng)它用作大展弦比機(jī)翼材料時(shí)，在滿足強(qiáng)度要求、氣動要求的前提下，綜合考慮氣動彈性和減重性能，可以使復(fù)合材料機(jī)翼比常規(guī)材料機(jī)翼變形劇烈。因此復(fù)合材料機(jī)翼是現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)上述“逆天”變形的前提條件。

變形有好處也有麻煩

機(jī)翼較大彎曲變形對飛機(jī)有什么影響呢？最直接的影響就是飛機(jī)的氣動性能了。如果設(shè)計(jì)師在此基礎(chǔ)上進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)更高速、更環(huán)保、更高效、更節(jié)儉的目的。波音787在此基礎(chǔ)上采用了前瞻性的空氣動力技術(shù)，比如可變翼腔技術(shù)、層流型短艙技術(shù)、平滑機(jī)翼技術(shù)等。

這些技術(shù)讓飛機(jī)在巡航飛行中，能夠持續(xù)優(yōu)化翼型和效率，從而降低油耗和成本。在空客官網(wǎng)對A350介紹中也提到：“A350XWB飛機(jī)采用了最新的氣動外形、最好的設(shè)計(jì)理念和最先進(jìn)的技術(shù)，燃油效率較同級別遠(yuǎn)程競爭機(jī)型提高了25%。”

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不過，必須承認(rèn)的是，機(jī)翼較大的彎曲變形為某些功能性設(shè)計(jì)帶來不便，比如密封設(shè)計(jì)、管路布線、機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)等。這是因?yàn)闄C(jī)翼彎曲變形會放大結(jié)構(gòu)間隙，對密封結(jié)構(gòu)構(gòu)型、密封材料選擇等提出了更高要求。同樣，內(nèi)部管路布線和機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)要考慮機(jī)翼彎曲變形程度，保證在機(jī)翼彎曲變形時(shí)能夠滿足功能性要求。

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安全性能優(yōu)先保障

對飛機(jī)而言，安全性是永恒的主題，當(dāng)看到機(jī)翼“逆天”彎曲變形之后，不少人會對飛機(jī)的安全性提出質(zhì)疑，會擔(dān)心這樣會不會把機(jī)翼折斷。對此也不必過于擔(dān)憂。

飛機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)是按照極限載荷設(shè)計(jì)的，而所謂極限載荷是飛機(jī)在使用壽命期間所承受的最大載荷放大1.5倍得到的，并留有一定的安全裕度。事實(shí)上，每一型飛機(jī)在交付之前都經(jīng)過了整機(jī)的靜力和疲勞損傷容限試驗(yàn)驗(yàn)證，而試驗(yàn)所用載荷也為極限載荷。不僅如此，在驗(yàn)證過程中還綜合考慮了飛機(jī)遇到的各種載荷工況。因此在如此嚴(yán)苛的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證前提下，飛機(jī)的安全性是毋庸置疑的。

此外，文章開頭所描述的“逆天”彎曲變形在乘客乘坐飛機(jī)飛行過程中并不會出現(xiàn)，僅存在于試驗(yàn)環(huán)節(jié)。綜合飛機(jī)遇到的各種機(jī)動飛行動作和氣動載荷，機(jī)翼受到最嚴(yán)重的向上載荷工況為2.5g正過載（即飛機(jī)升力為重力加速度的2.5倍），此時(shí)飛機(jī)會產(chǎn)生服役過程中的最大彎曲變形。

上文我們提到，試驗(yàn)載荷為極限載荷，對應(yīng)最嚴(yán)重向上載荷工況（2.5g過載）的1.5倍，此時(shí)飛機(jī)機(jī)翼會產(chǎn)生“逆天”彎曲變形。因此已經(jīng)交給航空公司運(yùn)營的飛機(jī)在日常情況下，其機(jī)翼最大彎曲變形比試驗(yàn)載荷下的變形要小得多。

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飛機(jī)受到最大向上載荷，需要同時(shí)滿足飛機(jī)以最大商載、最大起飛重量起飛，特定的飛機(jī)速度，并且遇到連續(xù)突風(fēng)等嚴(yán)酷的自然環(huán)境狀況等一系列條件才能出現(xiàn)，并不是飛機(jī)飛行過程中的常態(tài)。但即使偶有發(fā)生，經(jīng)過了上述極限載荷的試驗(yàn)驗(yàn)證，你還擔(dān)心機(jī)翼會折斷嗎？

了解了這些，下次再乘坐飛機(jī)時(shí)，靠窗而坐，看著窗外穿梭于云海中的機(jī)翼在空中劃著優(yōu)美的弧線，在領(lǐng)略大自然鬼斧神工的同時(shí)，你是否也會感嘆一下飛機(jī)設(shè)計(jì)師們別具匠心的魅力？