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机翼上的“小片片”

2017-06-26 17:15 来源:大飞机报

  

  在飞机起飞或是快要着陆的时候,机体会突然发出一阵阵“嗡嗡”的机械传动声,千万不要害怕,这可不是飞机出现故障了,而是“大鹏”要“展翅”了——即增升装置打开。如果稍加留意,会发现机翼前缘和后缘的一些“小片片”会逐步延伸打开,就像大鹏展翅一样。那么为什么需要这些“小片片”?它们有哪些种类?起什么作用?这就要说一说大型民用飞机的低速气动设计之道。

  “小片片”,非它不可?

  说起这个“小片片”?要从升力的特性说起:由于飞机的升力与速度的平方以及升力系数分别成正比例关系,当飞机高速巡航飞行时,只需采用升力系数小的干净机翼就可以保证足够的升力以平衡重力;但在起飞和着陆的过程中,速度相对较低,可还要平衡相同的重力,这就需要增大升力系数,而依托这些“小片片”可以实现这一目标,即增升装置。

  神奇的“小片片”

  神奇的“小片片”有哪些种类呢?主要有前缘缝翼、后缘襟翼、高速副翼、低速副翼、扰流板等。

  前缘缝翼的主要作用是推迟流动分离,即气流脱离机翼表面,并在空间形成很大的漩涡,严重时会导致飞机失速并引发灾难性事故,因此它可以提高机翼的失速攻角。后缘襟翼的主要作用是提高机翼的升力系数,是增升装置的“主力军”。高、低速副翼主要是在飞机飞行中实现横向控制,比如飞机的滚转、盘旋等,但在飞机起飞、着陆阶段,也会下偏增大机翼弯度以达到增升的效果。扰流板一方面作为横向控制的补充,另一方面也可实现飞行过程中的减速,且在飞机着陆后会全部打开,使飞机迅速减速以缩短滑跑距离。

  真的不起眼吗?

  也许有人会说,不就是机翼上一个个“片片”吗?有什么可设计的?其实这里面的门道可不少。

  首先来看看波音、空客两大飞机制造商在过去几十年里为了“小片片”费的心思:前缘装置发展出前缘下垂、缝翼、克鲁格襟翼等种类;后缘装置发展出开裂襟翼、简单襟翼、单缝/双缝/三缝富勒襟翼等种类。单看这些名称是不是就有点“蒙圈”了?

  作为机翼气动设计的重要组成部分,增升装置设计具有几何外形复杂、部件数目多、流场结构复杂、系统约束多的特点。

  关于几何外形复杂、部件数目多的特点根据前面的介绍可见一斑。而这种复杂结构的流动现象甚至对学术界理论提出了挑战,截至目前仍不能被完全解释。

  另外,增升装置的设计受到各个卡位约束条件的限制,尤其是来自发动机的约束。近年来,随着发动机涵道比越来越大,导致发动机内侧前缘增升装置的设计难度大幅增加。当然,噪声控制对增升装置设计的要求也是约束的一方面。

  增升装置外形由平面布置和沿气流流向的控制剖面形状,也就是多段翼型来决定。其中,平面布置参数由总体设计部门综合考虑低速性能指标、增升装置形式、结构、控制等方面因素提供,气动设计部门以高速干净机翼和平面布置参数为基准开展增升装置设计,以期着陆构型的升力系数和起飞第二爬升阶段的升阻比最大化。

  与高速机翼设计只设计翼型形状不同,增升装置设计还要设计前缘、后缘的空间打开位置。飞机的起飞、降落等不同飞行状态下,增升装置打开位置不同,相应的前后缘偏角和缝道参数,即每段翼型之间的缝隙特征是截然不同的,这都需要针对性设计。

  这样一来,增升装置设计自由度也达到了成千上万的量级,繁复程度不亚于高速机翼气动设计。另外,增升装置还必须保证前后缘装置收起后能够完美恢复到干净机翼,否则高速机翼设计的努力将付之东流。 (张文升 文/纪岑 摄)

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