刘沛清教授专栏：大型飞机的增升装置（高升力装置）

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大型飞机的增升装置（高升力装置）

除了信天翁在地面滑跑起飞外，天鹅可在水面上滑跑起飞。这些不同鸟类的起飞姿态，起飞的动作，起飞后起落架收放状态等，都值得人类飞机模仿。可以想象，如果鸟会说话，恐怕要与人类争飞机的发明权。另外，飞机在起飞着陆时，抬头的仰角（也叫迎角）比较大，但巡航时迎角比较小，为什么呢？这是因为巡航时，飞机速度较快，因升力和速度的平方成正比，所以不需要通过增大迎角而提高升力，此时其在小迎角下就可以平稳飞行。但是在起飞着陆时，为了安全起见，乘客不可以走动，一定把安全带系好，因为在这样的姿态下，一方面飞机的迎角变大，另一方面绕过飞机的气流处于加、减速区，飞机又处于近地面飞行，此时在控制方面要比巡航时难一些，飞机事故率也比巡航状态高的多，据统计起飞着陆状态飞机的事故率可达到70%左右。由此可见，人们在起飞着陆状态下系好安全带有多么重要。

天鹅和战斗机起飞滑跑

除了起飞状态外，鸟在着陆时羽翼形态变化也是人们模仿的。鹰在着陆时，其羽翼的羽毛尽可能展开，不仅面积增大而且羽毛下弯程度也变大，相比翱翔状态的羽翼形状，面积小弯度也小，这是为什么呢？因为鹰在翱翔时速度快，升力高，羽翼面积小、弯度小。但在起飞着陆时，速度小，在一定重量下，保持原有羽翼面积升力严重不足，为此鹰自动把羽毛尽可能展开并加大下弯度，以便增大羽翼的面积（升力跟面积成正比），同时通过提高迎角和弯度来进一步提高升力。对于人造飞机而言，在着陆时也具有类似的行为，乘飞机时可以发现，飞机着陆（起飞也是如此）时，机翼的前、后缘活动面全部打开，机翼的面积增大、下弯度增大，以增加机翼的升力，同时也增大迎角进一步增加升力。这说明，当飞机的速度改变时，可通过改变机翼面积和姿态角而改变升力。现代大型客机起飞着陆的速度与巡航速度差别比较大，一般情况下大型客机起飞着陆速度在每小时220到240千米左右，而巡航时可达到每小时800到900千米，二者速度之比近3至4倍。为了实现上述行为，飞机机翼增升用的前后缘活动面称之为高升力装置，这些活动面的设计技术在飞机机翼设计中称为低速构型设计技术，是飞机机翼设计中极其重要的核心技术之一，也是空气动力学研究的热点之一，几乎涉及现代粘性流体力学所有的复杂问题。

鹰与B47飞机着陆状态对比

仔细观察鸟的起飞方式，除了滑跑起飞外，还有通过高平台滑翔起飞，地面弹跳起飞等。如鸽子起飞时，常常通过弹跳起飞。鸽子欲起飞，两条腿奋力弹起身体，同时羽翼展开快速下排空气，就可以起飞啦。显然无论地面助跑起飞、还是弹跳起起飞，鸟在起飞过程中要付出极大的力气，消耗能量很大。相比较而言，鸟在翱翔的时候因气流绕过羽翼的速度快，在加上鸟尽可能在向上的气流中飞行，其所付出的力气很小。也许有人会想，如果机翼上不安装高升力装置，也就是说飞机机翼面积与起飞着陆时一样大小，这相当于飞机起飞着陆速度与巡航速度差不多，那会出现什么问题？此时，如果飞机以巡航速度进行起飞着陆，不仅大大增加了飞机的跑道长度，而且安全性极差。飞机在正常起飞时，由于离地速度过大，飞机在地面跑道上滑跑距离很大。如果飞机滑跑到快到离地速度时，发动机灭火不能正常起飞，飞机需要减速下来，显然离地速度越大，减速停下来所需要的距离也长，安全上要求实际的跑道长度约两倍的起飞长度，因此起飞速度对跑道长度有着决定性的关系。实际为了安全起见和减小机场跑道造价，大型飞机起飞着陆速度尽可能降下来是合理的。如果机翼面积不减小，按照起飞着陆时的大小飞高速巡航，此时机翼的摩擦阻力过大，飞机不可能达到经济巡航。

大型飞机高效增升装置设计在世界范围内仍然是一个有挑战性的课题。大型飞机需要复杂的多段高升力系统来满足飞机起飞降落性能要求。在当今充满竞争的民机市场中，大型飞机的设计趋势要求更高效的增升装置，以满足在给定迎角和襟翼偏角下最大程度地提高升力系数和升阻比。增升装置设计属于多目标、多技术综合的设计问题。整体上必须满足飞机总体技术要求，包括飞机性能、安全性、可靠性、维修性、噪声等方面，气动上飞机满足起飞、着陆滑跑距离短和爬升梯度的要求；结构上要求构件少、重量轻、连接简单，具有足够强度和刚度；操纵上便于维修、可靠、成本低、满足损伤容限要求等。

国外在很早以前就进行了增升装置的研究。首先在高升力设计上，有相当多的理论和实验研究，为增升装置的设计提供了直接理论基础和数据支持。美国道格拉斯公司的空气动力学家A.M.O·史密斯（A.M.O."Amo"Smith）于1975年在“高升力空气动力学”论文中揭示了多段翼高升力产生的机理。

多段翼型绕流

前缘和后缘增升装置类型

AMO.Smith等人从空气动力学的角度对高升力的产生机理及多段翼的流动作了大量的基础性研究，对流动本质进行了深入的挖掘，最大程度来获得高升力。对于二维多段翼型而言，可能出现的各种流动现象包括：边界层转捩、激波/边界层干扰、尾迹/边界层掺混、边界层分离、层流分离泡、分离的凹角流动、流线大幅弯曲等等。上世纪五十年代美国NASA开始开始研究，直到1975年多段翼流动问题才有重大突破，A.M.O.Smith提出了缝翼（襟翼）对多段翼流动的有利影响是：前翼的缝隙效应；环量效应；倾卸效应；离开物面的压强恢复；每一翼段开始新的边界层。对提高升力的主要作用是：

(1) 增加机翼的弯度效应

增加机翼的弯度，即增加环量，这时会产生较大的低头力矩，特别是在着陆进场时，需要水平安定面或升降舵后缘上偏来进行配平。

(2) 增加机翼的有效面积

大多数增升装置是以增加机翼的基本弦长的方式运动，在翼剖面形状没有改变时相同的名义面积下，其有效机翼的面积增加了，升力就增加了。这种情况，名义面积不变，相当于增加零迎角升力系数，因而提高了最大升力系数。

(3) 改善缝道的流动品质

通过改善翼段之间缝道的流动品质，改善翼面上的边界层状态，来增强边界层承受逆压梯度的能力，延迟分离，提高失速迎角，增大最大升力系数。

前缘与后缘增升装置对升力系数的影响

在实际飞机增升装置设计中，还必须进行增升装置收放机构、结构等设计。前缘缝翼和后缘襟翼在经过精心的气动设计之后，需要机械的收放机构来引导它们达到相应的设计位置。空客公司的Peter K. C. Rudolph于1996年撰文“跨音速客机增升装置设计”，对1996年之前的跨音速客机的增升装置进行了详尽的描述。其中可以看到不同的飞机上采用了不同的收放机构，Peter K. C. Rudolph更加偏向于增升机构的描述，然而对于飞机增升装置的具体空气动力学性能却没有进行详尽的描述。还有纷繁的增升机构对气动性能的具体影响也没有具体的数据说明。AMO.Smith和Peter K. C. Rudolph都各自从不同的领域对增升装置进行了深入的研究。

空客公司的Daniel Reckzeh从事高升力装置设计长达十几年，参与过包括A380、A400M和A350XWB飞机增升装置的设计。他用实际的经验阐述了空客公司在设计增升装置上的先进方法和手段。在其著的几篇论文中分别对A380、A400M和A350增升装置的设计进行了描述，阐述了气动和机构联合设计的理念和方法。在国外，因波音和空客公司在大型客机研制上的成功，在增升装置设计和制造技术方面获得了丰富的研究和设计经验，以及长期的技术积累。为了避免沿袭波音747飞机那样复杂的增升装置机构，空客公司从简单化出发进行了大胆的创新性设计，利用气动、机构、结构、强度、维修、经济等多目标和综合设计理念，以简单化的机构形式在A320飞机上获得成功，特别是在满足气动要求的前期下，对支撑和驱动系统进行了大胆改革。空客公司在A380增升装置设计中打破了气动与机构分开设计的缺陷，提出气动、机构、驱动系统一体化设计理念，并在CATIA环境下完成了一体化设计平台，成为目前最先进的增升装置设计平台。