飛機(jī)機(jī)翼能彎曲到什么程度？

機(jī)極級(jí)技

飛機(jī)在進(jìn)行靜力試驗(yàn)時(shí),，被“五花大綁”固定起來(lái),。其中,，機(jī)翼部分會(huì)根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求被鋼纜吊著上下擺動(dòng),。(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(dòng)圖（GIF圖）,，在微信朋友圈,、微博、知乎等平臺(tái)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(lái),，像小鳥(niǎo)揮舞翅膀一樣上下擺動(dòng)，其彎曲變形幅度之大令人驚嘆,，讓人不禁要問(wèn)：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(jiǎn)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(méi)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(guān)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(chēng)為夢(mèng)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(jiàn)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(chēng)“逆天”，隨之而來(lái)的疑問(wèn)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)谋扔鳎�同樣長(zhǎng)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(duì)于當(dāng)前的飛機(jī)制造來(lái)說(shuō)，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,。

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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(jiǎn)單來(lái)說(shuō),，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(mǎn)足強(qiáng)度要求,、氣動(dòng)要求的前提下,，綜合考慮氣動(dòng)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,。

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變形有好處也有麻煩

機(jī)翼較大彎曲變形對(duì)飛機(jī)有什么影響呢？最直接的影響就是飛機(jī)的氣動(dòng)性能了,。如果設(shè)計(jì)師在此基礎(chǔ)上進(jìn)行針對(duì)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(dòng)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,。

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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(duì)A350介紹中也提到：“A350XWB飛機(jī)采用了最新的氣動(dòng)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(jí)別遠(yuǎn)程競(jìng)爭(zhēng)機(jī)型提高了25%,。”

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不過(guò),，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(lái)不便,，比如密封設(shè)計(jì),、管路布線(xiàn)、機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)等,。這是因?yàn)闄C(jī)翼彎曲變形會(huì)放大結(jié)構(gòu)間隙,，對(duì)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(xiàn)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(mǎn)足功能性要求,。

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安全性能優(yōu)先保障

對(duì)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(huì)對(duì)飛機(jī)的安全性提出質(zhì)疑,，會(huì)擔(dān)心這樣會(huì)不會(huì)把機(jī)翼折斷。對(duì)此也不必過(guò)于擔(dān)憂(yōu),。

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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(guò)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(guò)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(kāi)頭所描述的“逆天”彎曲變形在乘客乘坐飛機(jī)飛行過(guò)程中并不會(huì)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(dòng)飛行動(dòng)作和氣動(dòng)載荷,，機(jī)翼受到最嚴(yán)重的向上載荷工況為2.5g正過(guò)載（即飛機(jī)升力為重力加速度的2.5倍），此時(shí)飛機(jī)會(huì)產(chǎn)生服役過(guò)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(duì)應(yīng)最嚴(yán)重向上載荷工況（2.5g過(guò)載）的1.5倍,，此時(shí)飛機(jī)機(jī)翼會(huì)產(chǎn)生“逆天”彎曲變形,。因此已經(jīng)交給航空公司運(yùn)營(yíng)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(mǎn)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(guò)程中的常態(tài),。但即使偶有發(fā)生,，經(jīng)過(guò)了上述極限載荷的試驗(yàn)驗(yàn)證，你還擔(dān)心機(jī)翼會(huì)折斷嗎,？

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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(xiàn),，在領(lǐng)略大自然鬼斧神工的同時(shí)，你是否也會(huì)感嘆一下飛機(jī)設(shè)計(jì)師們別具匠心的魅力,？