鯤鵬的翎羽細(xì)觀大飛機(jī)的機(jī)翼增升裝置（一）迎風(fēng)而動(dòng)的前緣襟翼

文/圖 吳大衛(wèi)

鳥兒飛翔靠翅膀，飛機(jī)翱翔靠機(jī)翼。作為飛機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的部件，飛機(jī)飛行時(shí)的絕大部分升力都是由機(jī)翼產(chǎn)生的。現(xiàn)代的大型噴氣式民用客機(jī)與軍用運(yùn)輸機(jī)在巡航階段多以0.75～0.85 馬赫的高亞聲速飛行在空氣平靜稀薄的萬米高空。從升力的需求來看，維持這些具有光順外形的龐然大物實(shí)現(xiàn)高亞聲速巡航并不需要很大面積的機(jī)翼，機(jī)翼面積過大反而會(huì)造成飛機(jī)與空氣間摩擦阻力的增加；從推力的需求來看，現(xiàn)代大型飛機(jī)的各種氣動(dòng)阻力經(jīng)過設(shè)計(jì)師們的“斤斤計(jì)較”已經(jīng)降到了很低的水平，在巡航階段的發(fā)動(dòng)機(jī)推力僅有飛機(jī)總重的6%～7%，甚至更低。因此，機(jī)翼的升力與發(fā)動(dòng)機(jī)的推力有相當(dāng)一部分裕量是用來滿足飛機(jī)正常起飛和著陸時(shí)的性能需求。

圖1 洛克希德L-1011 雖在商業(yè)上落敗，但技術(shù)層面卻不容否認(rèn)，增升裝置設(shè)計(jì)處于當(dāng)時(shí)領(lǐng)先水平，圖中可見其降落時(shí)打開的前緣縫翼和后緣雙縫襟翼。

雖然現(xiàn)代大型飛機(jī)在高速飛行時(shí)可以“瀟灑”地直逼聲速，但它們“來自于機(jī)場(chǎng)”而且最后必“回歸于機(jī)場(chǎng)”。跑道看似長(zhǎng)，但用時(shí)方恨短，這“迫不得已”的一起一落，飛行速度還不及巡航時(shí)的三分之一，尤其是民用客機(jī)的起飛和著陸速度都有嚴(yán)苛的適航設(shè)計(jì)要求。機(jī)翼面積與發(fā)動(dòng)機(jī)推力在設(shè)計(jì)時(shí)雖然已經(jīng)權(quán)衡過，但面對(duì)此時(shí)來流速度的大打折扣，產(chǎn)生的升力也捉襟見肘，只能將機(jī)翼干凈光滑的氣動(dòng)外形做出徹底的修改、分解，裝備上低速飛行的利器——前后緣增升裝置。當(dāng)增升裝置展開后，可以將飛機(jī)的最大升力提高70%甚至更高的幅度。

圖2 古典風(fēng)格的“超級(jí)信使”輕型飛機(jī)也配備了前緣縫翼，因而起降性能優(yōu)異。

圖3 波音公司的縫翼機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)草圖，從上世紀(jì)70年代開始這種齒輪——齒條機(jī)構(gòu)開始廣泛流行。

圖4 空客A320 下翼面打開的前緣縫翼檢修口蓋，細(xì)長(zhǎng)的協(xié)調(diào)軸、聯(lián)軸節(jié)和伺服電機(jī)齒輪箱清晰可見。

圖6 一架波音707-320 在起飛爬升時(shí)逐步收起它一系列早期設(shè)計(jì)的克魯格襟翼，發(fā)動(dòng)機(jī)短艙上的輔助進(jìn)氣門處于打開狀態(tài)。

圖7 仰視波音737-800 發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)側(cè)的折疊前緣式克魯格襟翼，左側(cè)邊緣緊貼發(fā)動(dòng)機(jī)短艙，彈簧用于補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)時(shí)與短艙發(fā)生的干涉變形。

圖8 波音747-400 機(jī)翼外段采用帶縫道的變彎度克魯格襟翼，可見其如魚骨般緊密排列的眾多連桿機(jī)構(gòu)。

圖9 至今，新一代的波音B747-8 仍沿襲了B747 家族祖?zhèn)鞯膹?fù)雜克魯格襟翼，材料、工藝則更上一層樓。

機(jī)翼的前后緣增升裝置又習(xí)慣性地稱為前后緣襟翼，其具體設(shè)計(jì)形式五花八門，各大飛機(jī)制造商根據(jù)自身產(chǎn)品的設(shè)計(jì)特點(diǎn)做出的組合配置更是難以一一枚舉。大體說來前緣增升裝置可以細(xì)分為前緣縫翼、克魯格襟翼、下垂式前緣等；后緣增升裝置可以細(xì)分為簡(jiǎn)單鉸接式襟翼、開裂式襟翼、后緣單縫、雙縫、多縫襟翼等。增升裝置的偏轉(zhuǎn)、展開不但將一個(gè)“死板”的固定翼面轉(zhuǎn)變?yōu)樯ο禂?shù)更大的多段翼，而且明顯的增大了機(jī)翼面積，尤其是后緣襟翼的弦向后退運(yùn)動(dòng)（又稱富勒運(yùn)動(dòng)）甚至可以使機(jī)翼面積增大25%以上。

經(jīng)過長(zhǎng)期的演變，當(dāng)代大型民機(jī)的前緣增升裝置在上世紀(jì)60年代末就已經(jīng)主流性地采用前緣縫翼，主要目的在于使機(jī)翼前緣下方的高壓氣流摻混進(jìn)上翼面的低壓區(qū)，延緩氣流的分離，使機(jī)翼具有良好的大迎角失速特性（圖1）。事實(shí)上，前緣縫翼并非由笨重的大飛機(jī)專享，它更早是在輕小型飛機(jī)上得到廣泛運(yùn)用。從二戰(zhàn)開始，很多戰(zhàn)斗機(jī)的前緣機(jī)動(dòng)襟翼就已經(jīng)十分接近縫翼的概念，使飛機(jī)在中低空纏斗中盡量獲得更小的盤旋半徑和更大的盤旋角速度，同時(shí)避免機(jī)翼發(fā)生嚴(yán)重的失速。一直到現(xiàn)代，很多輕型飛機(jī)上仍然不厭其煩的保留了前緣縫翼的設(shè)計(jì)，為的是得到出眾的短距起降性能（圖2）。

前緣縫翼工作的動(dòng)力來源于液壓或電力驅(qū)動(dòng)的伺服機(jī)構(gòu)，由于縫翼在伸展過程中同時(shí)要完成偏轉(zhuǎn)，因此一般安裝在圓弧形滑軌上?？p翼滑軌在早年的設(shè)計(jì)中由旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器或直線作動(dòng)筒驅(qū)動(dòng)，而自波音公司在70年代將齒輪——齒條機(jī)構(gòu)用于波音757 的縫翼滑軌后（圖3），這種構(gòu)造形式開始風(fēng)行于波音、空客等公司的一系列后續(xù)先進(jìn)民用客機(jī)的前緣縫翼設(shè)計(jì)上。這種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高等方面。機(jī)翼由于飛行中會(huì)發(fā)生彎曲，因此設(shè)計(jì)師必須沿翼展方向?qū)⑶熬壙p翼分割成結(jié)構(gòu)不連續(xù)的幾段，每段縫翼原本獨(dú)立的伺服機(jī)構(gòu)最好通過協(xié)調(diào)軸、齒輪箱或鋼索、滑輪組等機(jī)械裝置并聯(lián)驅(qū)動(dòng)（圖4），否則飛行中縫翼機(jī)構(gòu)失效導(dǎo)致的意外展開會(huì)給飛行安全帶來比較大的麻煩（圖5）。

圖10 起飛瞬間的空客A300B4，翼根的一小塊克魯格襟翼填補(bǔ)了前緣縫翼與機(jī)身的間隙，注意縫翼與發(fā)動(dòng)機(jī)掛架吻合處的半圓形缺口。

圖11 進(jìn)場(chǎng)著陸時(shí)的空客A310-300，雖然翼根經(jīng)過明顯整流但仍須小塊克魯格襟翼填補(bǔ)間隙，前緣縫翼與發(fā)動(dòng)機(jī)掛架之間的密封也繼承了A300 的特點(diǎn)。

圖12 伊爾-76MD 軍用運(yùn)輸機(jī)的前緣縫翼也開設(shè)了相應(yīng)缺口保證與發(fā)動(dòng)機(jī)掛架嚴(yán)絲合縫，它還采用了少有的后緣三縫襟翼設(shè)計(jì)。

圖13 地面滑行的波音777-200ER，一小塊克魯格襟翼填補(bǔ)了內(nèi)側(cè)前緣縫翼與發(fā)動(dòng)機(jī)掛架之間的間隙。

其實(shí)早在縫翼流行于大型飛機(jī)的前緣增升裝置以前，克魯格襟翼占據(jù)了相當(dāng)優(yōu)勢(shì)的地位，至今仍在波音公司的飛機(jī)上廣泛采用。從翼剖面劃分來看，前緣縫翼將機(jī)翼前緣整體分割，而克魯格襟翼只將機(jī)翼前緣的下半部分蒙皮向前掀開，其動(dòng)力依然來自旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器或者液壓作動(dòng)筒。克魯格襟翼在波音公司的飛機(jī)中可謂運(yùn)用到極致，其增升效果在一般迎角范圍內(nèi)不遜于前緣縫翼，而且阻力較小，重量輕。在波音公司早期設(shè)計(jì)中采用的簡(jiǎn)單鉸鏈?zhǔn)娇唆敻窠笠砥鋵?shí)也就像一個(gè)剛性的盒蓋（圖6）；隨后發(fā)展了帶縫道的克魯格襟翼具有了類似縫翼可延緩失速的特點(diǎn)；繼而又開發(fā)出折疊前緣式和變彎度克魯格襟翼等更復(fù)雜的先進(jìn)設(shè)計(jì)（圖7～9），一直沿用到最現(xiàn)代化的波音787 上。

克魯格襟翼的缺點(diǎn)也很明顯，它不像前緣縫翼那樣“自成一體”地構(gòu)成一個(gè)能有效承載的完整閉室，而僅僅是剛性很差的薄壁結(jié)構(gòu)，因此克魯格襟翼必須分割成更多的小段，并安排很多支撐機(jī)構(gòu)方能有效工作。波音B747 將各種復(fù)雜克魯格襟翼使用到了巔峰：B747-100 到300 型的兩側(cè)機(jī)翼一共布置了26 塊各式各樣的克魯格襟翼，而400 型更多達(dá)28 塊；每一小塊克魯格襟翼都安排2 套支撐連桿和作動(dòng)器，因此波音B747 的機(jī)翼前緣增升裝置在各類民機(jī)中復(fù)雜程度達(dá)到最高，而新一代的波音B747-8 仍然沿襲了這些特點(diǎn)（圖8-9）。

如今，克魯格襟翼的風(fēng)頭已經(jīng)徹底被前緣縫翼蓋過，它現(xiàn)在更多擔(dān)任的是“查漏補(bǔ)缺”的角色：前緣縫翼設(shè)計(jì)中最令人困擾的便是其翼展方向的連續(xù)性因?yàn)楦鞣N因素被打斷，上下翼面本來好端端的壓力差會(huì)因?yàn)榭p翼的不連續(xù)而“撒氣漏風(fēng)”，使增升效果大打折扣，就像人掉了一顆門牙就難以吐字清晰一樣。此時(shí)，克魯格襟翼仍有一席用武之地。

波音公司的增升裝置設(shè)計(jì)一直以精妙復(fù)雜的機(jī)械構(gòu)造來換取優(yōu)異的增升效果；而同樣作為民機(jī)巨頭，空中客車公司則一直崇尚更簡(jiǎn)潔的構(gòu)造形式。但由于早期空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的局限性，必須更多地關(guān)注細(xì)節(jié)，才能達(dá)到相同的增升效果，這在空客的前期產(chǎn)品A300 和A310 上體現(xiàn)的很明顯。出于幾何限制和結(jié)構(gòu)布置等因素，A300 的前緣縫翼難以一直延伸到翼根，因此前緣縫翼展開后形成的翼身間隙必須借助克魯格襟翼來填補(bǔ)（圖10）。A310 雖然是A300 的機(jī)身縮短型，但機(jī)翼采用了全新的氣動(dòng)設(shè)計(jì)和制造工藝，翼根雖經(jīng)精細(xì)整流但厚度明顯增加，更加限制了前緣縫翼的全翼展布置，因此空客仍然堅(jiān)定的保留了那一小塊克魯格襟翼。

這里插一句，空客追求細(xì)節(jié)的思想還體現(xiàn)在A300 和A310 前緣縫翼與發(fā)動(dòng)機(jī)掛架的密封處理上?？p翼的展開下垂運(yùn)動(dòng)會(huì)與發(fā)動(dòng)機(jī)掛架發(fā)生接觸干涉，因此在相應(yīng)的位置上開設(shè)了半圓形的避讓缺口并采取了相應(yīng)的彈性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（圖10～11）?？p翼在收起時(shí)，機(jī)翼表面光潔如初；在完全放下后，則縫翼缺口與掛架緊緊貼合，實(shí)現(xiàn)了氣動(dòng)外形的連續(xù)性。俄羅斯的伊爾-76 軍用運(yùn)輸機(jī)的前緣縫翼也采用了類似的設(shè)計(jì)（圖12）。

然而隨著發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比不斷增加，其短艙直徑也不斷加大，上述解決方案對(duì)翼吊發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)來說已經(jīng)無濟(jì)于事，因?yàn)檫@時(shí)候的發(fā)動(dòng)機(jī)掛架甚至發(fā)動(dòng)機(jī)短艙的上表面都已經(jīng)高于機(jī)翼的下表面，連續(xù)結(jié)構(gòu)的前緣縫翼無論如何也不能跨越這個(gè)障礙了?？湛凸局患南Ｍ趻旒芘c其附近前緣縫翼的局部修型，而波音公司仍然倔強(qiáng)的使用它引以為傲的克魯格襟翼來為它的拳頭產(chǎn)品波音777 的縫翼“堵漏”（圖13），這種思想一直沿用到其最新型的波音787 飛機(jī)上——可見“夢(mèng)想飛機(jī)”并非憑空產(chǎn)生，它也擁有波音民機(jī)的古老血統(tǒng)。

下垂式前緣作為增升裝置更多的是運(yùn)用在戰(zhàn)斗機(jī)、攻擊機(jī)或教練機(jī)上，而在當(dāng)代大型民用飛機(jī)上則很少采用，但對(duì)于龐然大物空客A380 是個(gè)例外。翼吊的發(fā)動(dòng)機(jī)將A380 的一側(cè)機(jī)翼間隔成三大段，中、外側(cè)的兩段使用的是前緣縫翼，最內(nèi)側(cè)機(jī)翼則局部使用了下垂式前緣（圖14）。A380 碩大的機(jī)翼在內(nèi)側(cè)已經(jīng)漸變的極其肥厚，機(jī)翼根部的翼型頭部也很圓很豐滿，給設(shè)計(jì)前緣縫翼帶來了很大困難；另外飛機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)中并不需要機(jī)翼內(nèi)側(cè)具有縫翼帶來的優(yōu)良失速特性，因此采用相對(duì)簡(jiǎn)單的下垂式前緣也許是個(gè)更明智的選擇。雙層客艙的A380 具有前所未有的高客座量，為了滿足90 秒內(nèi)人員全部撤離的要求，機(jī)身上的應(yīng)急逃生艙門也遠(yuǎn)多于其他客機(jī)?？湛凸俜劫Y料也曾含蓄的指出機(jī)翼內(nèi)側(cè)采用下垂式前緣也是不得已為之：緊急時(shí)刻，所有充氣滑梯必須快速安全的釋放，如果采用全翼展前緣縫翼的設(shè)計(jì)，很可能對(duì)機(jī)翼前緣上方艙門彈出的滑梯產(chǎn)生剮蹭損傷甚至卡阻，而下垂式前緣則能保證上翼面的光順，避免這些累贅（圖15）。另外，下垂式前緣也避免了高速氣流穿過前緣縫翼狹窄縫道時(shí)產(chǎn)生的凄厲尖叫，改善了飛機(jī)低空飛行的噪聲特性。

因此我們可以看到，飛機(jī)的空氣動(dòng)力設(shè)計(jì)有時(shí)候也并非是純粹的追求優(yōu)良的氣動(dòng)性能，而是受到很多現(xiàn)實(shí)的約束，有些也出于各大制造商自身獨(dú)到的經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)傳統(tǒng)。

圖14 A380 的前緣增升裝置采用縫翼和下垂式前緣組合搭配，從舷窗里可以辨別出內(nèi)側(cè)的下垂式前緣與固定翼面之間沒有中、外側(cè)縫翼具有的縫道。

圖15 圖中展現(xiàn)了A380 耷拉在機(jī)翼前緣的充氣滑梯，可以想象如果此處是完全打開的前緣縫翼可能會(huì)對(duì)滑梯的順利釋放產(chǎn)生不利影響。