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飛行物理學常識——為什麼飛機要裝襟翼?

一架飛機在高空正常飛行的時候,機翼看起來好像是一個整體。其實不然,機翼前緣、後緣都裝有長短、寬度不同的翼片,有的可向下偏轉,有的可向前伸出,有的可向後滑退,可謂五花八門。由於這些翼片是機翼的附屬物,並且可以偏折,正像我們穿的衣服下襟隨風擺動一樣,因此科學家給這些翼片起了一個十分形象的名稱———襟翼。平時飛機停在機場上或在高空飛行時,襟翼都收攏在機翼前緣或後緣上,一旦飛機進入起飛或著陸階段,它們的原形就顯露了出來。
  飛機為什麼要裝襟翼呢?請看下文。
  1、襟翼的奧秘在於提高昇力
  機翼的作用就是產生足夠的升力使飛機能飛上天空。如果機翼是一個整體的話,那麼在機翼面積、翼型、展弦比確定的情況下,它的最大升力也就是確定不變的了。如果飛機的全部重量是50噸,機翼必須產生490千牛以上的升力才能飛起來。我們知道,機翼面積越大,升力越大;速度越大,升力也越大。換句話說就是:在升力一定的情況下,機翼面積越大,起飛速度可以越小;起飛速度越大,機翼面積可以越小。因此,為了把這50噸的飛機弄上天,我們可以採取這樣兩個辦法:一是選用面積較小的機翼,通過加大起飛速度使升力超過490千牛;二是使起飛速度保持在較低的值上,通過採用大面積機翼以產生490千牛以上的升力。
  這兩個辦法行不行呢?第一個辦法機翼面積較小,飛機的結構重量就較輕,這是優點,但起飛速度大是很不利的,一方面要求機場跑道很長,這很不合算,對艦載飛機更是不利;另一方面,高滑跑速度對安全的威脅極大。第二個方法起飛速度低,有利於縮短滑跑距離,但當飛機起飛後速度增加,大面積機翼便成了累贅,不但重量大使載重量大大減少,而且會使阻力劇增,飛機的耗油量因此顯著增加。這種低速時升力小、高速時阻力大的問題稱為飛機的高低速矛盾。怎樣解決這一難題呢?這就要靠襟翼來實現。
  襟翼的一個主要作用是協調這個矛盾,既不需要很大、很重的機翼,也能在較低的起飛著陸速度下產生足夠的升力,使載重、速度、阻力和油耗達到綜合性的最佳化。用整體一塊的方式設計機翼不能同時滿足大載重量、低起飛和著陸速度、低阻力和低耗油率的要求。由於襟翼具體作用是大大提高飛機起飛和著陸等低速階段的升力,因而統稱增升裝置。
  襟翼為什麼能增加升力呢?在速度一定的情況下,提高昇力的辦法主要有4種:一是改變機翼剖面形狀,增加翼型彎度;二是增加機翼面積;三是盡可能保持層流流動;四是在環繞機翼的氣流中,增加一股噴氣氣流。襟翼就是通過改變翼型彎度、增加機翼面積、保持層流流動而增加升力的。
  2、飛機襟翼樣式眾多
  襟翼概念出現得很早。第一次世界大戰前,由於飛機速度提高,要求飛機在低速時也能產生足夠的升力,於是有人開始了最簡單的後緣襟翼的試驗探索。
  簡單襟翼就是機翼後緣的一部分。它可以彎曲,這樣就會改變機翼彎度,提高昇力。不久,又出現了開裂式襟翼。當它放下時,一方面可使翼型變彎,一方面會在機翼後緣形成低壓,兩方面的效果都是增加了升力。通常,開裂式襟翼可使升力係數提高75%~85%。同時,開裂式襟翼還能增加阻力,對飛機安全、緩慢地著陸有利。
  20世紀20年代,英國著名設計師漢德萊·佩奇和德國空氣動力學家拉赫曼發明了開縫襟翼。它是一條或幾條附著在機翼後緣的可動翼片,平時與機翼合為一體,飛機起飛或著陸時放下。襟翼片能夠增加機翼的面積,改變機翼彎度,同時還會形成一條或幾條縫隙。增加面積可以提高昇力,形成縫隙可使下表面的氣流經縫隙流向上表面,使上表面的氣流速度提高,可較大範圍保持層流,也可使升力增加,並能減少失速現象的發生。開縫襟翼是襟翼中十分重要的一種。它也可以裝在飛機前緣上,通常都是一條。目前大型飛機特別是客機都安裝了雙縫或三縫襟翼,可提高昇力係數85%~95%,效果十分顯著。
  還有兩種襟翼也很常見,一種是富勒襟翼,一種是克魯格襟翼。
  富勒襟翼是在機翼後緣安裝的活動翼面,平時緊貼在機翼下表面上。使用時,襟翼沿下翼面安裝的滑軌後退,同時下偏。使用富勒襟翼可以增加翼剖面的彎度,同時能大大增加機翼面積,增升效果非常明顯,升力係數可提高85%~95%,個別大面積富勒襟翼的升力係數可提高110%~140%。這種襟翼結構較複雜,多在大、中型飛機上採用,可大大改善起降性能。
  克魯格襟翼位於機翼前緣。它的外形相當於機翼前緣的一部分。使用時利用液壓作動筒將克魯格襟翼向前下方伸出,既改變了翼型,也增加了翼面積,增升效果也比較好。
  3、飛機襟翼在發展中
  襟翼的發展並沒有完結。上面介紹的襟翼裝置發展比較成熟,還有一類襟翼概念提出的也很早,但直到現在仍不完善,這就是噴氣襟翼。它的設計方案很多,基本思想都是通過從發動機或高壓氣瓶引出氣體,吸向機翼或襟翼表面,達到增加升力、推遲分離、降低阻力、改善失速特性的目的。由於噴氣襟翼十分複雜,目前只有個別飛機,如「鷂」式垂直起降飛機和F-4、米格-21輕型戰鬥機使用了噴氣襟翼。其試驗工作仍在進行之中。
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