鲲鹏的翎羽——细观大飞机的机翼增升装置之顺流而下的后缘襟翼

2年前浏览2158

大型飞机的机翼增升装置在工作时一般都是“前后呼应”的。与上一期介绍的前缘襟翼相比，后缘襟翼无论在几何外观还是机构形式来说都具有更多的分类和组合方案，单独的一个个介绍显得过于繁琐和死板。这里，我们以大型飞机后缘襟翼的设计思想演变为线索，希望能够粗浅的说说后缘襟翼五花八门的来由。

对于轻小型飞机，将机翼的后缘直接向下偏折，形成简单的铰接式或开裂式后缘襟翼就可以得到足够的增升效果；而现在大型喷气运输机动辄就上百吨的起飞重量，必须使用更加复杂的后缘襟翼来产生更多的升力。这些大型飞机的后缘襟翼不但要偏折增加机翼的弯度，还要后退展开（又称为富勒运动）增加机翼的面积；为了将襟翼向下偏转到前所未有的角度而气流却不分离，后缘襟翼也像上文提过的前缘缝翼一样与机翼的固定部分“若即若离”，形成缝道；这还不算完，有时候为了以复杂性换升力，一大片后缘襟翼还被切成数段，形成双缝甚至多缝襟翼。为了实现这些功能，设计师们可谓煞费苦心。

简单铰接式后缘襟翼的铰链安装在襟翼的头部，因此只能像一块普通舵面那样偏转。那么设计师们很自然的将铰链轴大幅度下移，使单纯的旋转掺混了后退运动。大型飞机在起飞阶段并不希望为了盲目增升付出很大的阻力代价，因此希望后缘襟翼偏角较小时却能大幅度的后退，增加机翼面积；而着陆时则对阻力不再忌惮，希望在襟翼后退达到尽头时能够继续显著下偏。这种铰链低置的襟翼正好满足了这样的需求。在大型民用飞机市场上曾经占据一席之地的麦道公司就偏爱这种设计：从其前身道格拉斯公司的DC-9，DC-10到曾经与我国民用航空发展关系密切的MD-80/90系列都普遍采用这种铰链低置方案。结构方案确定后，在气动方面麦道公司更青睐于增升效果好但复杂性较高的双缝襟翼（图1，2），这种双缝襟翼在主襟翼前上方布置了一块子襟翼；而空客公司后来将这种气动设计用于其A310的机翼内段，称为“导流片式”双缝襟翼，似乎更加形象一些。

虽然麦道公司在上个世纪的大型民用飞机寡头竞争中顽强拼搏，但最后混的还不如洛克希德，惨遭波音公司吞并。算是虽败犹荣，麦道公司设计的后缘襟翼装置仍有其值得关注的独到一面。自DC-9开始，MD-80/90等飞机均在襟翼放下后，襟翼前方下翼面会有一块折流板上偏，在大迎角姿态下更利于将气流顺利导入襟翼的缝道（图1）。毫无疑问，起飞阶段对襟翼后退量的需求导致麦道飞机的铰链低置幅度出奇的大，使得下翼面出现几个“高耸”的整流罩，这成为它们的识别特征。

图1 近观MD-82铰链低置的双缝襟翼，左侧即整个气流通道前方一块上偏的折流板是其一大设计特色

出于减阻和起落架安装的考虑，高亚音速飞行的大型民用飞机不可避免的采用后缘带折角的后掠翼，因此外侧襟翼的低置铰链也只能无奈的安排在后掠的轴线上，而内侧襟翼的铰链轴则可以垂直机身轴线布置。这“一正一斜”直接导致内、外侧襟翼展开后产生“打架”的干涉现象。块头较大的DC-10正好利用一块高速飞行时使用的机翼内侧副翼将两者隔开，也避免了翼下发动机的高温喷流对襟翼的损坏，而内侧副翼与外侧襟翼并不紧挨着，留下了很大间隙和一个固定的尖劈（图2）。类似的设计思想在空客的A-300上也可以看到。当然，对于发动机全部安装在机尾的MD-80/90系列，麦道的设计师们不再担心发动机喷流的困扰，果断使用一个巧妙的翼套（图3），使得内、外侧襟翼在它的覆盖之下既保持距离，自由伸展而且彼此之间的间隙被填补，不再“泄气”，增升效率大大提高。

图2 静待解体的老旧DC-10机群，它也采用铰链低置的双缝襟翼，注意机翼后缘折角处的尖劈和下垂的内侧副翼

图3 MD-82飞行中的光洁机翼，可以看到其引以为傲的翼套设计以及翼套摩擦襟翼表面产生的痕迹。

虽然后缘襟翼非常害怕翼吊发动机喷流的吹击和“烘烤”，但若在强度和耐热方面下一番功夫，这种劣势便演变成“动力增升”的优势。还是麦道公司将这一祸福转换变成现实，在YC-15技术验证运输机上初试成功后，造就了声明显赫的“环球霸王”（图4）。为了充分偏转发动机喷流，C-17运用了一整套粗壮的连杆机构使它的双缝襟翼下偏到更大的角度。同时，C-17的上翼面扰流板配合下偏以控制缝道的宽度也使得整个翼剖面的弯度变化更加光顺流畅（图5）。一般说来，大型飞机机翼上的扰流板只是单向的上偏，用于操纵和减速时来破坏升力、增加阻力。除了军用的C-17，在现有的民用飞机里只有最新的波音B787使用电传技术打破了这一定式，使扰流板也成为了后缘增升装置的一部分。

图4 除了高大的翼梢小翼，C-17的机翼还带有动力增升的双缝襟翼，注意上翼面的扰流板可协调下偏改善后缘附近的流动特性

图5 麦道公司公布的C-17襟翼工作原理图，粗壮的机构所需运动空间注定了庞大的整流罩，注意下偏的扰流板

显然并不是所有飞机制造商都喜欢麦道公司靠连杆和摇臂来解决问题的方法和那样“大块头”的整流罩，于是出现了所谓襟翼滑轨的设计思想——在后缘襟翼上安装滑车或滚轮，让它们在设计好的导轨里运动。不少轻型飞机就采用高低配置的双滑轨设计（图6），两条曲线轨道和其中的襟翼滚轮不但能够在几何上精确的控制襟翼的后退和偏转还起到传递气动力的作用。鉴于同样的思想，这种设计不断放大一直沿用到中型运输机上，只不过使用了更加坚固的传力结构来实现（图7）。不过双滑轨的设计仍然需要机翼下悬挂凸出的挂架来传力，而且如果继续放大到大型运输机上，这样的结构显得就过于臃肿而且效率低。于是设计师们“合二为一”，产生了单滑轨设计，从二战时期的轰炸机一直沿用到今天的大型军用、民用飞机。

图6 轻型飞机“夏尔帕”单缝襟翼的两个支撑滚轮分别通过襟翼挂架上镂空的两条曲线槽作为其滑轨

图7 涡桨运输机庞巴迪Q-400翼根的襟翼双滑轨特写

设计师们首先想到的还是简洁的圆周运动，于是首先出现的就是圆弧滑轨和相应的传动丝杠，并成功运动在赫赫有名的德•哈维兰“三叉戟”和波音B707飞机上（图8，9）。圆弧滑轨一般用表面硬化处理的结构钢制造，不但用于确定襟翼的运动还传递襟翼的气动力。经过仔细设计后，圆弧滑轨可以巧妙的布置在机翼后梁高度之内，因此不再需要任何凸出在下翼面的襟翼机构整流罩，整个机翼显得非常干净光滑。不过由于这种内置的圆弧滑轨会造成襟翼“偏角有余而后退不足”，而且随着后缘纤薄的超临界机翼成为主流，圆弧滑轨很难再设计成内置于机翼里，因此在大型飞机的设计演变中逐渐退出历史舞台。

图8 一架废弃的“三叉戟”飞机，可以清晰的看到机翼根部的圆弧襟翼滑轨，注意滑轨的高低尺寸限制在机翼厚度以内

图9 由波音B707衍生出的KC135加油机展开双缝襟翼准备着陆，虽然机翼下表面没有任何外露的机构整流罩但襟翼后退量不大

圆弧襟翼滑轨的替代者是造型硬朗的“钩形”滑轨，它其实是由两个直线段拼接而成，充分体现了后缘襟翼“先后退再下偏”的设计指导思想。波音公司从B727开始，“钩形”滑轨配合传动丝杠的襟翼驱动机构一直受到重用，B737、B747、B757几大型号一脉相承（图10，11）。空客公司在早期的设计也是博采众长，A300和A310上也使用了极其相似的传动机构设计。可以说在上世纪六七十年代，这是一种主流风格。

图10 波音B737系列历经约半个世纪的发展仍保留“钩形”襟翼滑轨和传动丝杠的设计，图中的襟翼和整流罩都已完全拆除

从大型喷气民用飞机登上历史舞台开始，气动性能不错而且结构复杂性尚可的双缝襟翼一直占据着主要位置。不过随着市场的细分和机型种类的不断丰富，各家对增升装置的设计思想也分道扬镳，尤以波音与空客两大巨头为典型：喜欢机械的美国人走上了一条用复杂的机械装置获得满意气动特性的道路，增升装置设计方案里充斥了大量琳琅满目的美国专利；而浪漫开放的欧洲人更崇尚将简洁的方案精雕细琢，将气动潜力发挥到极致。波音公司依然是从B727的“钩形”滑轨上开始做文章，它和后来的B737、B747都相继采用了复杂性极高的三缝襟翼设计（图11）。当飞机起降时，增升装置展开，机翼的造型仿佛就像个百叶窗。波音公司难能可贵的是将这样复杂的设计转化成可靠性极高的成熟产品并且使用多年，不过遭受埋怨的维护性最终还是让波音公司扛不住了，因此从新一代波音B737开始，单缝、双缝襟翼又重新受到重用。最有意思的便是B747-SP短机身型，由于平尾力臂变短而难以抵抗三缝襟翼的强大低头力矩而且起飞重量也大幅度下降，因此波音公司走向另一个简单化的极端：最简单的单缝襟翼搭配同样简单的悬挂式四连杆机构，而且整套机构埋藏于机翼内部，使这个短粗的飞机却有着干净光滑的机翼。不过上文提到，现代大型飞机超临界机翼的后缘已经十分单薄，内部空间不足，因此这种内置式的设计也只能是昙花一现了。

图11 悬挂在“钩形”滑轨上的三缝襟翼，波音在早年非常青睐用这种复杂的机械获得所需的增升效果

图12 波音B747-SP具有短粗滑稽的机身，由于起飞重量大幅下降只需要简单的单缝襟翼即可，它的内置悬挂式四连杆机构使得下翼面十分干净

当发展到A320时，空客已经完全形成了自己成熟的设计流派。在后缘襟翼设计上，从A320开始一直到更大的A330、A340乃至巨无霸A380和即将面世的A350，欧洲的设计师们贯彻了靠单缝襟翼包打天下的方针，而且开创了“直滑轨连杆摇臂”的新机构形式（图13，图14），使用寿命相比之前的“钩形”滑轨更加耐久，而维护性又优于复杂的单纯连杆机构。对于前面提到的内、外侧后缘襟翼运动干涉的处理上，空客公司继承了当年麦道的思路，但采用了“以柔克刚”的弹性伸缩补偿设计，做到了襟翼下面高压气流的在翼展方向密封。

图13 “得益”于这架迫降损毁的A320，可以清楚看到整流罩内部的单缝襟翼摇臂组件和直滑轨托架

图14 巨大的A380也采用相对简单的单缝襟翼，只有在收起位置时我们才能看到内外襟翼间也有运动间隙补偿设计

由于A320的成功热销，空客很自然的想到把它这款拳头产品弄成加长型的A321。考虑到改型飞机重量的大幅增长和机身长度的攀升，原先A320的机翼面积捉襟见肘，空客的工程师们为了压缩研发成本居然想到在A320的机翼后缘又拼接上一窄条。机翼面积好不容才增加了可怜的2%，似乎有点杯水车薪，因此A321最后还是被迫使用了双缝襟翼才解决问题（图15）。这也是继空客诞生时的开山之作A300B后，它族谱里仅有的整个机翼完全回归双缝襟翼的型号。

图15 A321的机翼较A320略微加大，更重要的是后缘升级为双缝襟翼，并增加很多小的襟翼机构整流罩

当然，美国人也知道如果实现了相同的增升效果，简单的方法必然是最好的，于是B767和B777在最初设计时也想全靠单缝襟翼过关，但是一直熬到最新的B787才了结波音公司在襟翼设计上的这桩夙愿（图17）。面对与A321相同的尴尬，波音公司也妥协了，因此B767和B777都出现了机翼内侧是双缝襟翼而外侧是单缝襟翼的折衷方案（图16），驱动机构依旧是美国人擅长的一套复杂连杆。不过这还不够，在B767和B777增重加长型上为了继续下偏襟翼，都补救性的采用了襟翼涡流发生器来延缓分离，而且翼梢的低速副翼和机翼内侧的高速副翼也协调下偏，共同增升。我们不得不感叹这些设计师们为了达到目的而绞尽脑汁的设计。

伴随着全球航空工业的发展和研发水平的提高，大型飞机的机翼增升装置根据各家各派的具体需要和技术传承，呈现了风格各异的设计结果，或复杂精妙或简单直接，但其最后的总体趋势似乎又走向了统一的简单化，只是这里势必又融入了大量新的技术。航空业里这样螺旋式的发展并不少见，而我国的航空人也重新走回大型飞机研制的历史关口，学习，追赶，创造出我们自己的一席之地。