一架飞机(jī)在(zài)高(gāo)空正常(cháng)飞行的时候,机翼看起来(lái)好像(xiàng)是一(yī)个整体。其实不然,机翼(yì)前缘、后缘(yuán)都装有(yǒu)长短、宽(kuān)度不同的翼片,有(yǒu)的(de)可向下偏转,有的可向前伸出,有的可(kě)向后滑退,可谓五花八门。由(yóu)于这(zhè)些翼片是机翼的(de)附属物,并且可(kě)以偏折,正像我们(men)穿的衣服下襟随风摆动一样,因此科学家给这些翼片起(qǐ)了(le)一个十(shí)分形象的(de)名称———襟翼。平时(shí)飞(fēi)机停在机场上或(huò)在高(gāo)空飞行时,襟翼都收(shōu)拢在(zài)机翼前缘或后缘上,一旦飞机(jī)进入起飞(fēi)或着陆阶(jiē)段,它们的(de)原形(xíng)就显露了出来。
飞机为什么(me)要装襟翼呢(ne)?
1、襟(jīn)翼的奥秘在于(yú)提高升力
机翼(yì)的作(zuò)用就(jiù)是产生足够(gòu)的升力使飞机能飞上天空(kōng)。如果(guǒ)机翼(yì)是一个整体(tǐ)的话,那(nà)么在机翼面积(jī)、翼型、展(zhǎn)弦比确定的情况下,它(tā)的最大升力也就是确定(dìng)不变的了。如果飞机的全部重量是50吨,机翼(yì)必须产生490千(qiān)牛以(yǐ)上的升力才能(néng)飞起来(lái)。我们(men)知道,机翼面积越大(dà),升力越大(dà);速度越(yuè)大(dà),升力也越大。换(huàn)句话说(shuō)就(jiù)是:在升力一定的情况下,机(jī)翼面积(jī)越大,起飞速(sù)度(dù)可以越小;起飞速度越大,机翼面积可以越小。因(yīn)此,为了(le)把这50吨的飞机(jī)弄上天,我们可以采取这样两个办法:一是选用面积较小的机翼,通过加大起飞(fēi)速度使升力超(chāo)过490千牛(niú);二是使起飞速(sù)度保(bǎo)持在较低的(de)值(zhí)上,通过采用大(dà)面积机翼(yì)以产(chǎn)生(shēng)490千(qiān)牛以上的升力。
这两个办法行不行呢(ne)?第一(yī)个办法机翼面积较小(xiǎo),飞机的结构(gòu)重量就较(jiào)轻,这是优(yōu)点,但起(qǐ)飞(fēi)速度大是很不利(lì)的,一(yī)方面(miàn)要求机场(chǎng)跑(pǎo)道很(hěn)长,这很(hěn)不(bú)合算(suàn),对舰载飞机更(gèng)是(shì)不利(lì);另一方面,高滑跑速度对安(ān)全的(de)威胁极大。第二个方法起(qǐ)飞速度低,有利(lì)于缩短滑跑距离,但当(dāng)飞机起飞(fēi)后速度增加,大面积机(jī)翼(yì)便成了累赘,不但(dàn)重(chóng)量(liàng)大使(shǐ)载重量(liàng)大大(dà)减少,而且会使阻力剧(jù)增(zēng),飞机(jī)的耗油量因此显著增加。这种低速时升力小(xiǎo)、高速时阻力大的问(wèn)题称为飞机(jī)的高低速矛(máo)盾。怎(zěn)样解决(jué)这一(yī)难题(tí)呢?这就要靠襟翼来实现。
襟翼的一个主要(yào)作用是协调这个矛盾,既不需要很大、很重的机翼,也能在较低(dī)的起飞着陆(lù)速度(dù)下(xià)产(chǎn)生(shēng)足(zú)够(gòu)的升力,使载重、速度、阻力和油(yóu)耗达到综合性的(de)最佳化。用(yòng)整体(tǐ)一块的方(fāng)式设计机翼不能同时满足(zú)大载重量、低起(qǐ)飞(fēi)和(hé)着陆(lù)速度(dù)、低阻力和低耗(hào)油率(lǜ)的要求。由于襟(jīn)翼具体(tǐ)作用是大大提高飞机(jī)起飞和着陆等低速阶(jiē)段的升力,因而统称增(zēng)升(shēng)装置。
襟翼为(wéi)什么能增加升(shēng)力呢?在速(sù)度一(yī)定(dìng)的情(qíng)况下,提高升(shēng)力的办法主要(yào)有4种:一是改(gǎi)变机翼剖面形状,增(zēng)加翼型弯(wān)度;二是增加机翼面积;三是尽(jìn)可(kě)能保持层流流(liú)动(dòng);四是在环绕机(jī)翼的气流中,增(zēng)加一(yī)股喷气气流。襟翼就是通过改变翼型弯度(dù)、增加机翼面积、保持层流流动而增加升力(lì)的。
2、飞(fēi)机襟翼样式众多
襟翼(yì)概(gài)念出现得(dé)很早。第一次世界大(dà)战前,由于飞机速(sù)度提高,要求飞(fēi)机(jī)在低速(sù)时也能产生足够(gòu)的升力,于是有人(rén)开始了最简单(dān)的后缘襟翼的试验探(tàn)索。
为什么飞机要(yào)装襟翼?
简单襟翼就是(shì)机翼后缘的一部分。它可以弯曲,这样就会(huì)改变(biàn)机(jī)翼弯度,提高升力。不久,又出现了开裂(liè)式襟翼。当它放(fàng)下时,一方面可(kě)使(shǐ)翼(yì)型变弯,一方面(miàn)会在机翼后缘形(xíng)成低压,两(liǎng)方面的效果都是增加了升力。通常,开(kāi)裂式襟翼可(kě)使升力系数提高75%~85%。同(tóng)时,开裂式襟(jīn)翼还能增加阻力,对飞机安全、缓慢地着陆有利。
20世纪20年代,英国著名设计师汉德莱·佩奇和德国空气动(dòng)力学(xué)家拉(lā)赫(hè)曼发明了开缝襟翼。它是一条(tiáo)或(huò)几条(tiáo)附着在机翼后(hòu)缘(yuán)的可动翼片,平时与机翼合为一体(tǐ),飞机起(qǐ)飞(fēi)或着(zhe)陆时放下。襟翼片能够增加机翼的面积,改变机翼弯度,同时(shí)还会形成一条(tiáo)或几(jǐ)条缝隙。增加面(miàn)积可以提高升(shēng)力,形成缝隙可使(shǐ)下表面的气流经缝隙(xì)流向(xiàng)上表面,使上表(biǎo)面(miàn)的气流速度提高,可(kě)较大(dà)范围保(bǎo)持层流,也可使升力增加,并(bìng)能减少失速现象的发生。开(kāi)缝襟翼是襟翼中(zhōng)十分重要的一(yī)种。它也可以装在飞机(jī)前缘上(shàng),通(tōng)常都是(shì)一条。目(mù)前(qián)大型飞机特(tè)别是客机都安(ān)装了双缝或三缝襟翼,可提高升力系数85%~95%,效果十(shí)分显(xiǎn)著(zhe)。
还(hái)有两种襟(jīn)翼也很常见,一种(zhǒng)是(shì)富勒襟翼,一种是克鲁格襟翼(yì)。
富(fù)勒(lè)襟翼是在机翼后缘(yuán)安装的(de)活动(dòng)翼面(miàn),平时(shí)紧贴在机翼下(xià)表面(miàn)上。使用时,襟翼沿下翼面安装的滑轨(guǐ)后退,同时下偏。使用(yòng)富(fù)勒襟(jīn)翼可以增(zēng)加翼剖(pōu)面的弯(wān)度,同时能(néng)大大(dà)增加机翼面积,增升效果非常明显,升力系数可提高85%~95%,个别大面(miàn)积富勒襟翼的升力系数可提高(gāo)110%~140%。这种(zhǒng)襟(jīn)翼结构较复杂,多在大、中型(xíng)飞机上采用,可大大改善起(qǐ)降性能。
克鲁格襟翼位于机翼前缘(yuán)。它的(de)外形相(xiàng)当(dāng)于机翼前缘的(de)一(yī)部分。使用时(shí)利用液压作动筒将克(kè)鲁格襟翼向前(qián)下方伸出(chū),既改变(biàn)了翼型,也增加了(le)翼面积(jī),增升效果也(yě)比较(jiào)好。
3、飞机襟翼在发展中
襟翼的发展(zhǎn)并没有完结。上面介绍的襟翼(yì)装置发展比较成熟,还有一类(lèi)襟翼概念提(tí)出的也很早,但直到现在仍不完善(shàn),这就是喷气襟(jīn)翼。它的(de)设计方(fāng)案很多,基(jī)本思想都(dōu)是通过从发(fā)动机或高压(yā)气瓶引出气体,吸向机(jī)翼或襟翼(yì)表面,达到增加升力、推迟分离、降低阻力、改善失速特性的目的。由(yóu)于喷气襟翼十分复杂,目前只有个别飞机(jī),如“鹞”式垂(chuí)直起降飞(fēi)机和F-4、米(mǐ)格-21轻型战斗机使用了喷气(qì)襟(jīn)翼。其试(shì)验(yàn)工作仍在(zài)进行之中。
特殊襟翼
我(wǒ)们知道,襟(jīn)翼(yì)的种类有很多,除了常用(yòng)的简单襟翼、开裂襟翼、开缝襟翼和后退襟翼等均位于机翼后(hòu)缘的后缘襟翼以外(wài),还有一些与普通后缘(yuán)襟翼构造有差别的特殊襟翼,如位于机翼(yì)前缘的前(qián)缘襟(jīn)翼与(yǔ)克鲁(lǔ)格襟翼,以及可(kě)以在机翼上引入发动机的喷(pēn)气流,改变空气在机翼(yì)上的流动状态的喷气襟翼。
前缘襟翼:后缘襟翼都位于机(jī)翼的后(hòu)缘,如果把它的位置移到机(jī)翼的前缘,就变成了前缘襟翼。前缘(yuán)襟(jīn)翼也可以看作是可偏转的前(qián)缘。在大迎角下,它向下偏(piān)转,使前缘与来流之间的(de)角度减小,气流沿上翼面的流动比(bǐ)较光滑,避(bì)免发(fā)生局部气流分离,同时也(yě)可增大翼型的弯度。
前缘襟翼与后缘襟翼配合使(shǐ)用可进(jìn)一步提高增升效果。一般的(de)后缘襟翼有一个缺点,就是当它(tā)向(xiàng)下偏转时,虽然(rán)能(néng)够增大上翼面气流的流速,从而增大升(shēng)力系数(shù),但同时(shí)也(yě)使得机翼前缘处气流的局部迎角增大,当飞机以(yǐ)大迎(yíng)角飞行(háng)时,容易(yì)导致机(jī)翼前(qián)缘(yuán)上(shàng)部发生局(jú)部的气流分离,使飞机的(de)性(xìng)能变坏。如果此时采用前缘(yuán)襟翼,不但可以(yǐ)消除机翼(yì)前缘(yuán)上部的局部(bù)气流分(fèn)离,改善后缘(yuán)襟翼(yì)的增升(shēng)效果,而且其本身也具有增(zēng)升作用。
克鲁格襟翼:与前缘襟翼作用(yòng)相同的还有一种克鲁格(Krueger)襟(jīn)翼。它一般位于机翼前缘根(gēn)部,靠作动筒收放。打(dǎ)开时,伸向机翼下前方,既增(zēng)大机翼面积,又(yòu)增大翼型弯度,具(jù)有较好(hǎo)的增升效果,同时构造也比较简单。
喷气襟(jīn)翼:这(zhè)是目前正在研究(jiū)中的(de)一种增升装(zhuāng)置。它(tā)的基本原理是:利用(yòng)从涡(wō)轮喷(pēn)气发动机引(yǐn)出(chū)的压缩空(kōng)气或燃(rán)气流,通过(guò)机翼后缘的缝隙沿(yán)整个翼(yì)展向后下(xià)方以高(gāo)速(sù)喷出,形成一(yī)片喷气(qì)幕,从而起到襟(jīn)冀的增升作用。这是超音速飞机(jī)的(de)一种特殊襟翼,其名称来历就是将“喷气”和“襟翼”结合起来。
喷气(qì)襟翼一方面改变了机翼周围的(de)流(liú)场(chǎng),增(zēng)加了上下压力差;另一方面,喷(pēn)气的反作用(yòng)力在垂直方向上的分力也使机翼(yì)升(shēng)力大大增加。所以,这种装置的增(zēng)升效果极好(hǎo)。根据试验表(biǎo)明(míng),采用喷气襟翼可(kě)以使升力(lì)系数增(zēng)大到12.4左右,约为附面层控制系统增升效果的2~3倍。虽(suī)然喷气襟翼的增升效果(guǒ)很好,但也有许多(duō)尚待(dài)解决的(de)难题:发动机的喷气量太大,喷流能量的损失大;形成(chéng)的喷气(qì)幕对飞机的稳定性(xìng)和操纵性有不良影响;机翼构造复杂,重量急剧增加;发(fā)动机的燃气流会烧(shāo)毁(huǐ)机场跑(pǎo)道等等。

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