科普：飛機機翼能彎曲到什麼程度？

2016年07月19日

飛機在進行靜力試驗時，被"五花大綁"固定起來。其中，機翼部分會根據試驗設計要求被鋼纜吊著上下擺動。(周逸雲/繪)

前段時間，有一張A350XWB機翼靜力試驗的動圖（GIF圖），在微信朋友圈、微博、知乎等平臺上廣為流傳。圖中的飛機被五花大綁著，而機翼部分被多條鋼纜吊起來，像小鳥揮舞翅膀一樣上下擺動，其彎曲變形幅度之大令人驚歎，讓人不禁要問：飛機機翼到底能彎曲到什麼程度？

"塑膠"飛機為"逆天"變形提供可能

我們可以先用手邊的工具做一個比較簡單的模擬。比如你手裡拿了一把30釐米刻度的塑膠直尺，首先將直尺的一端固定，然後用手把直尺另一端向上提升。這把直尺能夠彎曲的程度就是看沒有被固定的一端被提起的高度。那麼，飛機機翼能彎曲到什麼程度呢？這裡有一組直觀的資料。A350XWB機翼翼展為64.75米，翼尖最大向上彎曲約5.2米。被稱為夢想客機的波音787機翼翼展為60.1米，翼尖最大向上彎曲達到7.9米。可見上述兩款最新機型特別是波音787飛機的機翼彎曲程度堪稱"逆天"，隨之而來的疑問是：如此大的變形是如何實現的？

材料是最主要的因素之一。如果仍以直尺作一個不太恰當的比喻，同樣長度的兩把直尺，一把是塑膠的，一把是鋼的，給它們施加同樣的力去提升，所能夠達到的程度肯定是不一樣的。對於當前的飛機製造來說，複合材料用量是衡量一款飛機先進性的主要標誌之一。而A350XWB和波音787飛機的複合材料用量均高達50%，高比例的複合材料用量讓這兩款飛機被冠以"塑膠飛機"的美譽。不僅如此，在其複合材料使用中，為飛機提供升力的機翼主結構採用了複合材料設計，這為機翼的"逆天"彎曲變形提供了可能。

複合材料究竟有什麼"魔力"能讓機翼出現如此大的彎曲？簡單來說，這是因為複合材料具有較高的比強度、比剛度。當它用作大展弦比機翼材料時，在滿足強度要求、氣動要求的前提下，綜合考慮氣動彈性和減重性能，可以使複合材料機翼比常規材料機翼變形劇烈。因此複合材料機翼是現階段實現上述"逆天"變形的前提條件。

變形有好處也有麻煩

機翼較大彎曲變形對飛機有什麼影響呢？最直接的影響就是飛機的氣動性能了。如果設計師在此基礎上進行針對性設計，可實現更高速、更環保、更高效、更節儉的目的。波音787在此基礎上採用了前瞻性的空氣動力技術，比如可變翼腔技術、層流型短艙技術、平滑機翼技術等。這些技術讓飛機在巡航飛行中，能夠持續優化翼型和效率，從而降低油耗和成本。在空客官網對A350介紹中也提到："A350XWB飛機採用了最新的氣動外形、最好的設計理念和最先進的技術，燃油效率較同級別遠端競爭機型提高了25%。"

不過，必須承認的是，機翼較大的彎曲變形為某些功能性設計帶來不便，比如密封設計、管路佈線、機構協調等。這是因為機翼彎曲變形會放大結構間隙，對密封結構構型、密封材料選擇等提出了更高要求。同樣，內部管路佈線和機構協調要考慮機翼彎曲變形程度，保證在機翼彎曲變形時能夠滿足功能性要求。

安全性能優先保障

對飛機而言，安全性是永恆的主題，當看到機翼"逆天"彎曲變形之後，不少人會對飛機的安全性提出質疑，會擔心這樣會不會把機翼折斷。對此也不必過於擔憂。

飛機在設計時是按照極限載荷設計的，而所謂極限載荷是飛機在使用壽命期間所承受的最大載荷放大1.5倍得到的，並留有一定的安全裕度。事實上，每一型飛機在交付之前都經過了整機的靜力和疲勞損傷容限試驗驗證，而試驗所用載荷也為極限載荷。不僅如此，在驗證過程中還綜合考慮了飛機遇到的各種載荷工況。因此在如此嚴苛的設計和試驗驗證前提下，飛機的安全性是毋庸置疑的。

此外，文章開頭所描述的"逆天"彎曲變形在乘客乘坐飛機飛行過程中並不會出現，僅存在於試驗環節。綜合飛機遇到的各種機動飛行動作和氣動載荷，機翼受到最嚴重的向上載荷工況為2.5g正超載（即飛機升力為重力加速度的2.5倍），此時飛機會產生服役過程中的最大彎曲變形。上文我們提到，試驗載荷為極限載荷，對應最嚴重向上載荷工況（2.5g超載）的1.5倍，此時飛機機翼會產生"逆天"彎曲變形。因此已經交給航空公司運營的飛機在日常情況下，其機翼最大彎曲變形比試驗載荷下的變形要小得多。飛機受到最大向上載荷，需要同時滿足飛機以最大商載、最大起飛重量起飛，特定的飛機速度，並且遇到連續突風等嚴酷的自然環境狀況等一系列條件才能出現，並不是飛機飛行過程中的常態。但即使偶有發生，經過了上述極限載荷的試驗驗證，你還擔心機翼會折斷嗎？

瞭解了這些，下次再乘坐飛機時，靠窗而坐，看著窗外穿梭于雲海中的機翼在空中劃著優美的弧線，在領略大自然鬼斧神工的同時，你是否也會感歎一下飛機設計師們別具匠心的魅力？

新聞來源：大飛機報