除了看杂志睡觉,坐飞机时看看窗外的风景,机翼的变化,不也巴适得很嘛。
介绍一下我们今天的主角,相信大家也不会陌生——C919大型客机,我国首款按照最新国际适航标准,具有自主知识产权的干线民用飞机。有小伙伴可能会问了,为啥叫个这名字?B737是因为生产它的公司叫波音(Boeing),A320则是空客公司(Airbus)的经典款。那C919呢?其实,C不仅仅是中国商飞英文缩写COMAC的首字母,也是China的首字母,后面的919中,第一个“9”的寓意是天长地久,“19”指它的最大载客量为190座。C919客机属中短途商用机,实际总长38米,翼展35.8米,高度12米,标准航程为4075公里。四面式风挡,LEAP涡扇发动机,机身采用了大量的先进复合材料和铝锂合金等,液压系统能提供5000PSI(磅/平方英寸)的压力,与一般民用飞机采用3000PSI的液压系统相比,能提供更大的动力,也能减轻飞机重量。作为人类智慧与技术的结晶,包括C919在内的民航飞机,有多少与常识相悖的科技原理?又有多少鲜为人知的巧妙设计呢?
1.飞机即使在下降,机头也不会明显朝下。那种机头朝下加速下降,叫俯冲,是神风敢死队的杀手锏。
坐过民航客机的人或许会有疑惑,为什么飞机在起飞爬升的时候,自己能明显地感觉到加速度将身体推向椅背,即使不看窗外,也能通过水平视线判断出飞机此刻正倾斜朝上。而下降着陆的时候,却感觉飞机的姿态和巡航平飞时并无二致。这是为什么呢?说到这就得给大家介绍一下下滑角了,下滑角是指下滑面与水平面在垂直平面内的夹角。国际民航组织ICAO约定航空器着陆时的标准下滑角为3°:
与巡航飞行时也就几度的微小差别,当然难以区别。
大家印象里的飞机俯冲下降画面,多半是来源于关于战争的影视作品。如果民航客机来整一出俯冲,
落地后。不但飞行员,管制员等相关人员得写一堆报告,航空公司收到的乘客投诉也能堆成小山。对客舱里的乘客来说,其刺激程度不亚于坐过山车。你想想,坐在飞机里基本看不到啥,无法像机长通过一样通过风挡玻璃和相关仪器感知外部环境。大伙有的正睡得香,有的正聚精会神看杂志,有的吃着火锅唱着歌
不好意思放错图了...
突然就失重了?!被安全带牵着,尖叫声不断,客舱又是一团乱,能不慌嘛?
2.在上升过程中,飞机所需的升力其实小于它的自身重力。
上升是指飞机沿倾斜向上的轨迹做等速直线的飞行,是飞机取得高度的基本方法。在日常生活中,人们往往会认为只有升力大于重力,物体才得以上升高度,像气球,孔明灯等。飞机在上升过程中,升力要比重力小,那它是怎么飞到三万英尺高空呢?
为了弄明白原因,首先,我们先画一架丑陋的小飞机,简单分析下它的受力:
牛顿老爷子的第一定律告诉我们:任何物体都要保持匀速直线运动或静止状态,直到外力迫使它改变运动状态为止。飞机的上升过程也是匀速直线运动,故其所受合外力应为零,即:P=D+Wsinθ,L=Wsinθ。θ角(上升角)在上升过程中不会为0,所以cosθ的值总是小于1,L<W。飞机之所以能上升,靠的还是发动机的推/拉力,补偿自身升力的不足。
3.C919大飞机的动力主要由发动机的风扇部分(外涵)提供,并不是经过燃烧室的发动机喷流(内涵)。
C919使用的LEAP发动机是涡扇发动机大家族的一员。
涡扇发动机是20世纪60年代发展出来的新型发动机,它的采用显著提高了飞机的速度,高度,航程和经济性。目前民航运输机绝大多数采用涡扇发动机。与涡喷发动机相比,涡扇发动机增加了风扇部件,而风扇由涡轮带动。增加了风扇后流过发动机的空气就分成两路,一路流经风扇后直接排出,称为外涵;一路流经压气机,燃烧室和涡轮后排出,称为内涵。外涵和内涵的空气流量之比称为涵道比。
涡扇发动机性能优异的根本原因是利用了质量附加原理——当从作为热机的发动机内所获得的机械能一定时,把这个能量传递给工质(用来传递能量的介质),如果工质的质量越大,也就是如果参与推进的质量越多,则发动机的推力越大。涡扇发动机将涡轮转换出的机械能通过风扇传递给外涵空气,则平均到每公斤的空气所获得的机械能减少,气体速度增量减小,排气速度降低,从而提高了发动机的推进效率。风扇使整个发动机空气流量的增加大于气体速度增量的减小,使发动机推力增加。由此可见,涵道比越大,空气流量就越大,发动机的推力也就越大。
LEAP发动机就属于前风扇式高涵道比发动机,由于外涵流量大,所以外涵产生的推力也大,一般占总推力的70%~80%,就发动机各部件而言,风扇是产生正推力最大的部件。
4.正常使用情况(自动刹车,干跑道)下,反推装置的主要功能是避免刹车的过度磨损。并不能起到多大的减速作用。
上图表示一种外涵反推装置的工作情况:在正推力状态,阻流门将叶栅盖住,喷管呈打开状态;在反推力状态,阻流门将喷管后向通道堵死,同时将叶栅打开,气流转向从叶栅出排出,产生反推力。
反推装置的原理是利用导流板使发动机排气方向发生偏转,倾斜向前方喷气,以产生向后的拉力使飞机在着陆滑跑过程更快的减速。而如今民航客机多采用自动刹车系统,减速率是预定好的,减速距离也随之确定。在干的跑道,反推就主要配合刹车使用,使飞机达到预先设定好的减速率,避免刹车的过度磨损。而在湿跑道/污染跑道或人工刹车的情况下,因为道面与机轮的摩擦力变小,人工的不确定性,反推装置才大显神通,使飞机迅速降下速度。但值得一提的是,速度减小后应及时解除反推状态,防止涡轮超温或压气机喘振。单发和大侧风着陆时,飞机容易偏出跑道,使用反推更要慎重。
5.减速板最主要的作用是卸去大部分机翼升力,提高刹车效率,而不是增大气动阻力。
如果你刚好坐在飞机中段靠窗口的位置,在飞机着陆滑跑的时候,你会看到机翼上立起来几块板板,这就是减速板,专业点的话就叫扰流板。顾名思义,扰流板就是扰乱空气的正常流动。按常理大伙儿可能会觉得,它是靠产生与飞机运动方向相反的阻力来减速,其实不然。多出来这点儿面积阻挡的空气并不能起多大作用,而且,机身,尾翼这么多地方它不安装,为什么偏偏安装在机翼上面呢?为什么是向上立起而不是往下偏呢?这就足以说明扰流板的主要作用并不是增大气动阻力。立起扰流板,可以卸去大部分机翼的升力,使飞机重量尽快作用于地面,增大飞机对地面的压力,从而提高刹车效率,以帮助飞机更快的减速。
6.C919的机翼翼尖为什么要向上翘起?这样设计有什么好处吗?
其实这玩意也是有学名的,叫做“翼梢小翼”,英文名叫wingtip。主要是用来阻碍机翼上下表面的空气扰流,减弱翼尖涡流,以及降低油耗。那什么是翼尖涡流呢?
众所周知飞机能够飞起来是依靠飞机加速时机翼上下表面压差而提升一定的升力,而翼尖附近机翼下表面空气会绕流到上表面形成翼尖涡流。从飞机的后部向前看,右翼尖涡流是逆时针旋转,左机翼的翼尖涡流是顺时针旋转。机翼上产生的升力越多,翼尖涡流也就越强。能强到什么程度?当今最大客机——空中巨无霸A380如果在两三百米的高度飞越居民区,其产生的涡流能掀翻房顶。这也是要给俩架飞机配备垂直间隔的原因之一。所以许多飞机上都在翼尖装有翼梢小翼,借以阻挡或减弱涡流。
喜欢军事的朋友可能听说过“米格-25战斗机的雷达能在300米外烤熟兔子”,虽说夸张了点,但也说明了机载雷达的恐怖,的确飞机在地面以及加油时是禁止开启雷达的。但飞机也没大家想象的神秘复杂。
我国航空虽然起步较晚,工业科研基础薄弱,但在几代前辈们不懈努力下,C919飞向蓝天了,歼20问世了,我们也有第五代战斗机了。当初和朋友们听到歼20的风声时还不信,在CCTV看见时不禁热泪盈眶。上九天揽月,下五洋捉鳖。威龙战斗机,蛟龙潜水器。
东方的巨人,正昂然崛起。
参考资料:钟长生,阎成鸿.《航空器系统与动力装置》 西南交通大学出版社,2012
杨俊,杨军利,叶露.《飞行原理》(第二版) 西南交通大学出版社,2012
刘晓明,苏彬,孙宏.《飞行性能与计划》 西南交通大学出版社,2003
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