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飞机襟翼的作用

 

一架飞机在高空(kōng)正(zhèng)常飞行的时候,机翼看起来好像是一个整体(tǐ)。其实不(bú)然,机(jī)翼前缘、后(hòu)缘都装有长短(duǎn)、宽度不同的翼片,有的可向下偏转,有的可向前伸出,有的可(kě)向后滑退,可谓五花八门(mén)。由于这些翼片(piàn)是机翼的(de)附属物,并且可(kě)以(yǐ)偏(piān)折,正像我们穿(chuān)的衣服下襟随风(fēng)摆动一样,因此科学(xué)家(jiā)给(gěi)这些翼片起了(le)一个十分形象的名(míng)称(chēng)———襟翼。平时飞机停在(zài)机场上(shàng)或(huò)在高空飞行时(shí),襟(jīn)翼都收拢在机(jī)翼前缘或后缘(yuán)上,一(yī)旦(dàn)飞机进(jìn)入起飞或着(zhe)陆阶段(duàn),它们的(de)原(yuán)形就显露了出来。 

飞机为什么要装(zhuāng)襟(jīn)翼呢?

1、襟翼的(de)奥(ào)秘(mì)在于提(tí)高(gāo)升力 

机翼的(de)作用就是(shì)产生足够的升力使飞机能飞上天空。如果机翼是一个整体(tǐ)的话(huà),那么在机翼面积、翼型、展弦比确定的情况下,它的最大升力(lì)也(yě)就是(shì)确定不变的了。如果飞机的全部重量(liàng)是50吨,机翼(yì)必须(xū)产生490千牛以上的升(shēng)力才能飞起(qǐ)来。我们知道,机翼面积越大(dà),升力越大;速(sù)度越大,升力(lì)也(yě)越(yuè)大。换句话说就是:在升力一定(dìng)的情况下(xià),机翼面积越大,起飞速度可(kě)以越(yuè)小;起飞速度(dù)越大,机翼面积(jī)可(kě)以越(yuè)小。因此,为了把这50吨的飞机(jī)弄(nòng)上(shàng)天(tiān),我(wǒ)们(men)可以采取这样两个办法:一是(shì)选用面积较小的机翼,通过加大(dà)起飞速度使升力超过490千牛;二是使起飞速(sù)度保持在较低的值(zhí)上(shàng),通过采用大面(miàn)积机翼(yì)以产生490千牛以上的升力。 

这两个办(bàn)法行(háng)不(bú)行(háng)呢?第一个(gè)办(bàn)法机翼面积较小,飞机的结构重量就(jiù)较轻,这是(shì)优点,但起(qǐ)飞速(sù)度大是很不利的(de),一方面要求机场跑道很长,这很不合算,对舰载(zǎi)飞机更是(shì)不利;另(lìng)一(yī)方面,高滑跑速度对(duì)安全的威胁(xié)极大。第二个(gè)方法起飞速度低,有(yǒu)利于缩短滑跑(pǎo)距离,但当飞机起飞后速度增加(jiā),大(dà)面积机翼便成(chéng)了累赘,不但重量大使载重量(liàng)大(dà)大减少,而且会使阻(zǔ)力剧增,飞机的耗油量因(yīn)此显著增加。这(zhè)种低速时升(shēng)力小、高速时阻力(lì)大的问题(tí)称为飞(fēi)机的高低(dī)速(sù)矛盾。怎样解决这一(yī)难(nán)题呢(ne)?这就要靠襟翼来实现。 

襟翼(yì)的一个主要作用是协调这(zhè)个矛盾,既不需要很(hěn)大、很重的机翼,也能在较低的起飞着陆速度下(xià)产生足够的(de)升力,使载重、速度、阻(zǔ)力和油耗(hào)达到综合性的(de)最(zuì)佳(jiā)化。用整体一(yī)块的方式设计机翼不能同时满足大载重量、低起飞(fēi)和着陆速度(dù)、低阻力和低耗油率的要求。由于(yú)襟翼具体(tǐ)作用是大(dà)大提高(gāo)飞机起飞和着陆等低速阶段的(de)升力,因而统称增升装置。 

襟翼为什(shí)么能增(zēng)加升力呢?在速度一定的情况下(xià),提高(gāo)升力的(de)办法主要有4种:一(yī)是改变机翼剖面形状,增加翼型弯度;二(èr)是增加机翼面积;三是尽可能(néng)保持层流流动(dòng);四是在(zài)环绕(rào)机(jī)翼的(de)气流中(zhōng),增(zēng)加一股喷气气流(liú)。襟翼就是通过改变(biàn)翼(yì)型弯度(dù)、增加机翼面(miàn)积、保(bǎo)持层流流动(dòng)而增加(jiā)升力的。 

2、飞机襟翼样式众多 

襟翼(yì)概念出现得很早。第一(yī)次世界大战前,由于飞机速度提高(gāo),要(yào)求飞机在低速(sù)时也能产生(shēng)足够的升力,于是有人(rén)开始了最简单(dān)的(de)后缘襟(jīn)翼的(de)试验探索。 

为什么飞机(jī)要装襟翼? 

简单襟翼就(jiù)是机翼(yì)后缘的一部分。它可以弯曲,这样就会改变(biàn)机翼弯度,提(tí)高升(shēng)力。不久(jiǔ),又出现了开裂(liè)式襟翼。当它放(fàng)下时,一方面可使(shǐ)翼(yì)型变弯,一(yī)方面会在(zài)机翼后缘(yuán)形成低(dī)压,两方面的效果都是(shì)增加了升(shēng)力。通常,开(kāi)裂式襟翼可使升力系(xì)数提高75%~85%。同(tóng)时,开(kāi)裂式襟翼还(hái)能增(zēng)加阻(zǔ)力,对飞机安全、缓慢地着陆(lù)有利(lì)。 

20世纪20年代,英国著名设计师(shī)汉德莱·佩奇和德国空气(qì)动力学(xué)家拉赫(hè)曼发明了开缝襟翼。它是一条或几条附着在机翼后(hòu)缘(yuán)的可(kě)动翼片(piàn),平时(shí)与机翼(yì)合为一(yī)体,飞机起飞或着陆时放下。襟翼(yì)片(piàn)能够增加机翼的面积,改变机(jī)翼(yì)弯度,同时还会形成一条(tiáo)或几条缝隙。增加面积可以提高(gāo)升力,形成缝隙(xì)可使下(xià)表面的气(qì)流经缝隙流向(xiàng)上表面,使上表面的气流(liú)速度提高,可较大范(fàn)围保持层流,也可(kě)使(shǐ)升力增加(jiā),并能减(jiǎn)少失速现象的发生。开(kāi)缝襟(jīn)翼是(shì)襟(jīn)翼(yì)中十分重要的(de)一(yī)种。它也可以装在飞机前缘上(shàng),通常(cháng)都是(shì)一条。目(mù)前大型飞机特别是客机(jī)都安(ān)装了双缝或三缝(féng)襟(jīn)翼,可提(tí)高升力系数85%~95%,效果十分显著。 

还有两(liǎng)种(zhǒng)襟翼也很常见(jiàn),一种是(shì)富勒襟翼(yì),一种是克(kè)鲁格襟(jīn)翼。 

富勒襟翼是在机翼后缘安装的(de)活动翼面,平时紧(jǐn)贴在机(jī)翼下(xià)表面上。使(shǐ)用时,襟翼沿下翼面安装的滑轨后退,同时下偏。使(shǐ)用(yòng)富勒襟翼可以增加(jiā)翼剖面(miàn)的弯度,同时能大(dà)大(dà)增加机(jī)翼面(miàn)积,增升效果非(fēi)常明显,升力系数可提(tí)高85%~95%,个别大面积富勒襟翼的升力(lì)系数可(kě)提高110%~140%。这种襟翼结构较复杂,多在大(dà)、中型飞(fēi)机上采用,可大(dà)大改善起降性能。 

克鲁格襟(jīn)翼位于机翼前缘。它的外形相当于机翼前缘的一部分。使用时利用液压(yā)作(zuò)动筒将克鲁(lǔ)格襟(jīn)翼向前下方伸出(chū),既改变了(le)翼(yì)型,也增加了(le)翼面积,增(zēng)升效果也比较(jiào)好。 

3、飞机襟翼在发展中 

襟翼的(de)发展并(bìng)没有完结。上面介绍的襟翼装置发展比较成熟(shú),还(hái)有一类(lèi)襟翼概念(niàn)提出(chū)的也很早,但直到现在仍不完善,这就是(shì)喷气襟翼。它的设计方案(àn)很多,基本思想都是通过从发动机或高压气瓶引(yǐn)出气(qì)体,吸向机翼或襟(jīn)翼表(biǎo)面,达(dá)到增加(jiā)升力、推迟分(fèn)离、降(jiàng)低阻力(lì)、改(gǎi)善(shàn)失速特性的目的(de)。由(yóu)于喷气襟翼十分复杂,目前只有(yǒu)个别飞机,如“鹞”式垂直起(qǐ)降飞机和F4、米格-21轻型战(zhàn)斗机使用了喷气(qì)襟(jīn)翼。其试验工作仍在进行之中。

特殊(shū)襟(jīn)翼(yì) 

我们知(zhī)道,襟翼的种类有很多,除了常用的简单襟翼、开裂襟翼、开缝襟翼和后退襟翼等(děng)均位于机翼后缘的后缘襟(jīn)翼以外,还有一些与(yǔ)普通(tōng)后缘襟翼构(gòu)造有差别的特殊(shū)襟翼,如位于机翼前缘(yuán)的前缘襟翼与克鲁格襟翼,以及可以在机翼上引(yǐn)入发动(dòng)机(jī)的喷气流,改变空气在机翼上的流(liú)动状态的喷(pēn)气襟翼。 

前(qián)缘襟翼:后(hòu)缘襟翼都(dōu)位于机翼的后缘,如(rú)果把它(tā)的位置移到机翼的前缘,就(jiù)变(biàn)成了前缘襟翼(yì)。前缘(yuán)襟翼也可以(yǐ)看(kàn)作是可偏转的前缘。在大迎角下,它向下(xià)偏转,使(shǐ)前缘与来流之间的角度减小,气流沿(yán)上(shàng)翼面的流动比较光滑(huá),避(bì)免发生(shēng)局(jú)部气流分离,同时(shí)也可增大翼型的弯度。 

前缘襟(jīn)翼与后缘襟翼配合使用(yòng)可进一步提高增升效果。一般的后缘襟翼有一(yī)个缺点(diǎn),就是当它向下(xià)偏转时,虽然能够增(zēng)大上翼面气流的流(liú)速(sù),从而增大升力系数,但同时也使得机翼前缘处气流的(de)局部(bù)迎(yíng)角增(zēng)大(dà),当(dāng)飞机以大迎角(jiǎo)飞行(háng)时,容易(yì)导致机翼前(qián)缘上(shàng)部发生局部的气流分离,使飞(fēi)机的性能变坏。如果此时采(cǎi)用前缘襟翼(yì),不(bú)但可以消除(chú)机翼前缘上(shàng)部的局部(bù)气流分离,改善后缘襟翼的增升(shēng)效果(guǒ),而且其本身也具(jù)有增升作用。 

克鲁格襟(jīn)翼:与前缘襟(jīn)翼作用(yòng)相同的还(hái)有(yǒu)一(yī)种克鲁格(Krueger)襟翼。它一般位于机(jī)翼前缘(yuán)根部,靠(kào)作动筒收放(fàng)。打开时,伸向机(jī)翼下前方(fāng),既增大机翼面积,又增大翼(yì)型弯度,具有较(jiào)好的增升(shēng)效果,同时(shí)构造也比较简单。 

喷气襟翼:这是目前正在研究中(zhōng)的一种增升装置(zhì)。它(tā)的基(jī)本原理是:利用从涡轮喷气发动机引出的压缩(suō)空(kōng)气或燃气(qì)流,通过机翼后缘(yuán)的缝(féng)隙沿(yán)整个翼展向后下方以高速喷出,形(xíng)成一片(piàn)喷(pēn)气幕,从而起到襟(jīn)冀(jì)的增升作用(yòng)。这(zhè)是超音速(sù)飞机(jī)的一(yī)种(zhǒng)特殊襟翼,其名称来历(lì)就(jiù)是将“喷气”和(hé)“襟翼”结合起来。 

喷气(qì)襟翼一方面改变了机翼周围的流场(chǎng),增加了上(shàng)下压力(lì)差(chà);另一方面,喷气(qì)的反作用力在垂(chuí)直方向上的分力也使机翼升力(lì)大大增加。所以,这(zhè)种装置的增升效(xiào)果极好。根据试验表明,采用(yòng)喷(pēn)气襟(jīn)翼可(kě)以(yǐ)使升力系数(shù)增大(dà)到124左(zuǒ)右,约为(wéi)附面层控制系(xì)统增升效果的(de)23倍。虽然喷气襟翼的增(zēng)升效(xiào)果很好(hǎo),但也有许多尚(shàng)待解(jiě)决(jué)的难题:发动机(jī)的喷气量太大,喷流能量的(de)损失(shī)大;形成的喷气幕对飞机的稳(wěn)定(dìng)性(xìng)和操纵性有不(bú)良影响;机(jī)翼构造复杂,重量急(jí)剧增(zēng)加;发(fā)动(dòng)机的燃气流会烧毁机场跑道(dào)等等。

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