飛機(jī)是人類在20世紀(jì)最重大的科學(xué)技術(shù)成就之一，也是重要的出行交通工具。飛機(jī)外觀最凸顯的部分就是機(jī)翼，機(jī)翼那么薄，它是如何承受幾十噸重量的？
機(jī)翼的主要構(gòu)件包含了翼肋、翼梁、桁條和蒙皮。機(jī)翼結(jié)構(gòu)的基本作用是構(gòu)成機(jī)翼的流線外形，同時(shí)將外載荷傳給機(jī)身。機(jī)翼結(jié)構(gòu)在外載荷作用下應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、剛度和壽命。足夠的剛度既指蒙皮在氣動(dòng)載荷作用下保持翼型形狀的能力，也包含機(jī)翼抵抗扭轉(zhuǎn)和彎曲變形的能力。
▲機(jī)翼的基本構(gòu)件
機(jī)翼最主要作用是產(chǎn)生升力，以支持飛機(jī)在空中飛行，也起一定的穩(wěn)定和操縱作用。另外，在機(jī)翼上還安裝有改善起飛和著陸性能的襟翼和用于飛機(jī)橫向操縱的副翼，有的還在機(jī)翼前緣裝有縫翼等增加升力的裝置。
飛機(jī)機(jī)翼設(shè)計(jì)主要是為了讓機(jī)翼在空中飛行的時(shí)候，將氣流切割成上下兩個(gè)部分，并且讓兩個(gè)部分產(chǎn)生差異。接著我們用一張圖來(lái)給大家簡(jiǎn)單的演示一下機(jī)翼是如何產(chǎn)生升力的：
飛機(jī)上升主要利用的就是壓力差。機(jī)翼上下表面形狀是不對(duì)稱的，空氣沿機(jī)翼上表面運(yùn)動(dòng)的距離更長(zhǎng)，自然流速更快，根據(jù)伯努利定理，速度越快，氣壓越小，上下表面的壓力差就提供了升力。
當(dāng)飛機(jī)前進(jìn)的速度越大，這個(gè)壓強(qiáng)差，即升力也就越大。所以飛機(jī)起飛時(shí)必須高速前行，這樣就可以讓飛機(jī)升上天空。當(dāng)飛機(jī)需要下降時(shí)，它只要減小前行的速度，其升力自然會(huì)變小，升力小于飛機(jī)的重量，它就會(huì)下降著陸。
飛機(jī)機(jī)翼是如何承受大重量的？
在給定結(jié)構(gòu)重量指標(biāo)(機(jī)翼自身重量)的前提下，能夠安全地承受使用載荷(設(shè)計(jì)中會(huì)放大為設(shè)計(jì)載荷)，靠的是結(jié)構(gòu)材料的正確選擇、結(jié)構(gòu)部件的合理布置以及結(jié)構(gòu)尺寸的精心設(shè)計(jì)分析與優(yōu)化。
①機(jī)翼材料的選擇
飛機(jī)的主承力結(jié)構(gòu)(如機(jī)翼上的梁、肋、蒙皮壁板)一般選用高比強(qiáng)度或者高比模量的材料，按強(qiáng)度設(shè)計(jì)的地方用高比強(qiáng)度的材料(避免材料的失效)，按剛度設(shè)計(jì)的地方用高比模量的材料(避免結(jié)構(gòu)失穩(wěn))。
材料的選擇必然很重要，而且是多種層次的。機(jī)翼的蒙皮傾向采用復(fù)合材料，承重結(jié)構(gòu)依然采用金屬材料。碳纖維復(fù)合材料的特性是重量輕承重大，非常適合用在飛機(jī)機(jī)翼上。以波音787為例，它的機(jī)翼主結(jié)構(gòu)就是采用的碳纖維復(fù)合材料。
②機(jī)翼結(jié)構(gòu)部件合理布置及尺寸優(yōu)化
飛機(jī)機(jī)翼是按照載荷傳遞的最優(yōu)路線布置，盡量使部件綜合設(shè)計(jì)，發(fā)揮各種形式結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，提高結(jié)構(gòu)和材料的綜合利用率。
機(jī)翼里面實(shí)質(zhì)上是空心狀態(tài)，但為了能夠進(jìn)一步加固整個(gè)機(jī)翼，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用堅(jiān)固的加強(qiáng)筋固定。飛機(jī)機(jī)翼的每個(gè)零件都有其確定的位置，零件按照一定順序排放，既能承受內(nèi)部發(fā)動(dòng)機(jī)帶來(lái)的壓力，同時(shí)也能承受外部強(qiáng)風(fēng)力帶來(lái)的壓力。
飛機(jī)機(jī)翼本身就是承載發(fā)動(dòng)機(jī)和放置機(jī)油的地方，同時(shí)還需要依靠機(jī)翼來(lái)抵抗強(qiáng)風(fēng)的壓力，而飛機(jī)本身機(jī)翼設(shè)計(jì)在達(dá)到前面要求的同時(shí)，還要竭力保持整個(gè)機(jī)翼的美觀，因此在設(shè)計(jì)方面頗費(fèi)心思，機(jī)翼上每一個(gè)零件都要精準(zhǔn)安排，不能出現(xiàn)任何差錯(cuò)。
以波音787為例，結(jié)構(gòu)的形式是雙梁?jiǎn)螇K式，目前這個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)十分主流。前后有兩根梁，之間又有很多的翼肋，這樣梁和肋就組成了機(jī)翼的內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu)，外側(cè)是蒙皮和壁板設(shè)計(jì)。
▲波音787機(jī)翼剖視圖
在設(shè)計(jì)初始，設(shè)計(jì)人員就會(huì)將機(jī)翼的重量和整個(gè)飛機(jī)將會(huì)承載的最大重量加入設(shè)計(jì)和計(jì)算中，根據(jù)整個(gè)最大重量來(lái)進(jìn)行整個(gè)機(jī)翼的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，這樣就可以保證飛機(jī)的機(jī)翼承受如此大的重量。
任何一架新型飛機(jī)在投入市場(chǎng)之前，都會(huì)進(jìn)行無(wú)數(shù)次的測(cè)試，測(cè)試環(huán)節(jié)和復(fù)雜程度是我們無(wú)法想象的。一般來(lái)說(shuō)飛機(jī)的機(jī)翼在設(shè)計(jì)上也有優(yōu)化，機(jī)翼在一定角度內(nèi)的彎曲是沒(méi)有問(wèn)題的，還可以承受3個(gè)G的顛簸，所以我們?nèi)粘ｏw行環(huán)境的顛簸是無(wú)法對(duì)機(jī)翼造成損害的。
▲飛機(jī)機(jī)翼上下擺動(dòng)
總的來(lái)說(shuō)，飛機(jī)機(jī)翼的優(yōu)異性能，主要取決于本身先進(jìn)的材料，再加上獨(dú)特的機(jī)翼設(shè)計(jì)，和有針對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做出的優(yōu)化，保證了飛機(jī)在飛行過(guò)程中的安全穩(wěn)定。
瘋狂機(jī)械控，深度機(jī)械愛(ài)好者的交流基地，更多精彩內(nèi)容，請(qǐng)關(guān)注我們的微信公眾號(hào)名稱：瘋狂機(jī)械控（微信號(hào)：fkjxk007）
