飞机机翼那么薄,为什么能承受几十吨重量?

国际金属加工网 2020年09月22日

飞机是人类在20世纪最重大的科学技术成就之一,也是重要的出行交通工具。飞机外观最凸显的部分就是机翼,机翼那么薄,它是如何承受几十吨重量的?

机翼的主要构包含了翼肋、翼梁、桁条和蒙皮。机翼结构的基本作用是构成机翼的流线外形,同时将外载荷传给机身。机翼结构在外载荷作用下应具有足够的强度、刚度和寿命。足够的刚度既指蒙皮在气动载荷作用下保持翼型形状的能力,也包含机翼抵抗扭转和弯曲变形的能力。

▲机翼的基本构件

 

机翼最主要作用是产生升力,以支持飞机在空中飞行,也起一定的稳定和操纵作用。另外,在机翼上还安装有改善起飞和着陆性能的襟翼和用于飞机横向操纵的副翼,有的还在机翼前缘装有缝翼等增加升力的装置。

飞机机翼设计主要是为了让机翼在空中飞行的时候,将气流切割成上下两个部分,并且让两个部分产生差异。接着我们用一张图来给大家简单的演示一下机翼是如何产生升力的:

飞机上升主要利用的就是压力差。机翼上下表面形状是不对称的,空气沿机翼上表面运动的距离更长,自然流速更快,根据伯努利定理,速度越快,气压越小,上下表面的压力差就提供了升力。

 

当飞机前进的速度越大,这个压强差,即升力也就越大。所以飞机起飞时必须高速前行,这样就可以让飞机升上天空。当飞机需要下降时,它只要减小前行的速度,其升力自然会变小,升力小于飞机的重量,它就会下降着陆。

飞机机翼是如何承受大重量的?

在给定结构重量指标(机翼自身重量)的前提下,能够安全地承受使用载荷(设计中会放大为设计载荷),靠的是结构材料的正确选择、结构部件的合理布置以及结构尺寸的精心设计分析与优化。

①机翼材料的选择

飞机的主承力结构(如机翼上的梁、肋、蒙皮壁板)一般选用高比强度或者高比模量的材料,按强度设计的地方用高比强度的材料(避免材料的失效),按刚度设计的地方用高比模量的材料(避免结构失稳)。

材料的选择必然很重要,而且是多种层次的。机翼的蒙皮倾向采用复合材料,承重结构依然采用金属材料。碳纤维复合材料的特性是重量轻承重大,非常适合用在飞机机翼上。以波音787为例,它的机翼主结构就是采用的碳纤维复合材料。

②机翼结构部件合理布置及尺寸优化

飞机机翼是按照载荷传递的最优路线布置,尽量使部件综合设计,发挥各种形式结构的优势,提高结构和材料的综合利用率。

机翼里面实质上是空心状态,但为了能够进一步加固整个机翼,其内部结构采用坚固的加强筋固定。飞机机翼的每个零件都有其确定的位置,零件按照一定顺序排放,既能承受内部发动机带来的压力,同时也能承受外部强风力带来的压力。

飞机机翼本身就是承载发动机和放置机油的地方,同时还需要依靠机翼来抵抗强风的压力,而飞机本身机翼设计在达到前面要求的同时,还要竭力保持整个机翼的美观,因此在设计方面颇费心思,机翼上每一个零件都要精准安排,不能出现任何差错。

以波音787为例,结构的形式是双梁单块式,目前这个结构设计十分主流。前后有两根梁,之间又有很多的翼肋,这样梁和肋就组成了机翼的内部骨架结构,外侧是蒙皮和壁板设计。

▲波音787机翼剖视图

在设计初始,设计人员就会将机翼的重量和整个飞机将会承载的最大重量加入设计和计算中,根据整个最大重量来进行整个机翼的设计和优化,这样就可以保证飞机的机翼承受如此大的重量。

任何一架新型飞机在投入市场之前,都会进行无数次的测试,测试环节和复杂程度是我们无法想象的。一般来说飞机的机翼在设计上也有优化,机翼在一定角度内的弯曲是没有问题的,还可以承受3个G的颠簸,所以我们日常飞行环境的颠簸是无法对机翼造成损害的。

▲飞机机翼上下摆动

总的来说,飞机机翼的优异性能,主要取决于本身先进的材料,再加上独特的机翼设计,和有针对结构设计做出的优化,保证了飞机在飞行过程中的安全稳定。

 

(疯狂机械控 )

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