鲲鹏的翎羽——细观大飞机的机翼增升装置之迎风而动的前缘襟翼

2年前浏览3162

机翼几乎承载了飞机飞行时的全部升力，可以说是飞机空气动力学设计中最关键的部件。现代的大型喷气式民用客机与军用运输机在巡航阶段多以0.75-0.85马赫的高亚音速飞行在空气平静稀薄的万米高空。从升力的需求来看，维持这些具有光顺外形的庞然大物实现高亚音速巡航并非需要很大面积的机翼就能够产生足够的升力，而机翼过大反而会造成飞机与空气间摩擦阻力的可观增加；从推力的需求来看，现代大型轰运类飞机的各种气动阻力经过设计师们的“斤斤计较”已经降到了很低的水平，在巡航阶段的发动机推力仅有飞机总重的6%-7%，甚至更低。因此，机翼的升力与发动机的推力留下的相当一部分的潜力为的都是应付飞机能够具有正常的起飞和着陆性能。

虽然现代大型轰运类飞机在高速飞行时可以“潇洒”的直逼音速，但它们“来自于机场”而且最后必“回归于机场”。跑道看似长，但用时方恨短，这“迫不得已”的一起一落，飞行速度还不及巡航时的三分之一，尤其是民用客机的起飞和着陆速度都有严苛的适航设计要求。机翼面积与发动机推力在设计时虽然已经权衡过，但面对此时来流速度的大打折扣，产生的升力也捉襟见肘，只能将机翼干净光滑的气动外形做出彻底的修改、分解，装备上低速飞行的利器——前后缘增升装置。当增升装置展开工作后，可以将飞机的最大升力提高70%甚至更高的幅度。

机翼的前后缘增升装置又习惯性的称为前后缘襟翼，其具体设计形式五花八门，各大飞机制造商根据自身产品的设计特点做出的组合配置更是难以一一枚举。大体说来前缘增升装置可以细分为前缘缝翼、克鲁格襟翼、下垂式前缘等；后缘增升装置可以细分为简单铰接式襟翼、开裂式襟翼、后缘单缝、双缝、多缝襟翼等。增升装置的偏转、展开不但将一个“死板”的固定翼面转变为升力系数更大的多段翼而且明显的增大了机翼面积，尤其是后缘襟翼的弦向后退运动（又称富勒运动）甚至可以使机翼面积增大25%以上。

经过长期的演变，当代大型民机的前缘增升装置在上世纪60年代末就已经主流性的采用前缘缝翼，主要目的在于使机翼前缘下方的高压气流掺混进上翼面的低压区，延缓气流的分离，使机翼具有良好的大迎角失速特性（图1）。事实上，前缘缝翼并非由笨重的大飞机专享，它更早是在轻小型飞机上得到广泛运用：从二战开始，很多战斗机的前缘机动襟翼就已经十分接近缝翼的概念，使飞机在中低空缠斗中尽量获得更小的盘旋半径和更大的盘旋角速度，同时避免机翼发生严重的失速；一直到现代，很多轻型飞机上仍然不厌其烦的保留了前缘缝翼的设计，为的是得到出众的短距起降性能（图2）。

图1 洛克希德L-1011虽在商业上落败，但技术层面却不容否认，增升装置设计处于当时领先水平，图中可见其降落时打开的前缘缝翼和后缘双缝襟翼。

图2 古典风格的“超级信使”轻型飞机也配备了前缘缝翼，因而起降性能优异

前缘缝翼工作的动力来源于液压或电力驱动的伺服机构，由于缝翼在伸展过程中同时要完成偏转，因此一般安装在圆弧形滑轨上。缝翼滑轨在早年的设计中由旋转作动器或直线作动筒驱动，而自波音公司在70年代将齿轮——齿条机构用于波音B757的缝翼滑轨后（图3），这种构造形式开始风行于波音、空客等公司的一系列后续先进民用客机的前缘缝翼设计上。这种设计方案的优点体现在结构简单，可靠性高等方面。机翼由于飞行中会发生弯曲，因此设计师必须沿翼展方向将前缘缝翼分割成结构不连续的几段，每段缝翼原本独立的伺服机构最好通过协调轴、齿轮箱或钢索、滑轮组等机械装置并联驱动（图4），否则飞行中缝翼机构失效导致的意外展开会给飞行安全带来比较大的麻烦（图5）。

图3 波音公司的缝翼机构设计草图，从上世纪70年代开始这种齿轮——齿条机构开始广泛流行

图4 空客A320下翼面打开的前缘缝翼检修口盖，细长的协调轴、联轴节和伺服电机齿轮箱清晰可见

图5 一架波音B737-800在飞行中由于机械故障意外展开前缘缝翼，造成的升力不对称会给飞机的横侧向平衡带来风险

其实早在缝翼流行于大型飞机的前缘增升装置以前，克鲁格襟翼占据了相当优势的地位，至今仍在波音公司的飞机上广泛采用。从翼剖面划分来看，前缘缝翼将机翼前缘整体分割，而克鲁格襟翼只将机翼前缘的下半部分向前掀开，其动力依然来自旋转作动器或者液压作动筒。克鲁格襟翼在波音公司的飞机中可谓运用到极致，其增升效果在一般迎角范围内不逊于前缘缝翼，而且阻力较小，重量轻。在波音公司早期设计中采用的简单铰链式克鲁格襟翼其实也就像一个刚性的盒盖（图6）；随后发展了带缝道的克鲁格襟翼具有了类似缝翼可延缓失速的特点；继而又开发出折叠前缘式和变弯度克鲁格襟翼等更复杂的先进设计（图7-9），一直沿用到最现代化的波音B787上。

克鲁格襟翼的缺点也很明显，它不像前缘缝翼那样“自成一体”的构成一个能有效承载的完整闭室而仅仅是刚性很差的薄壁结构，因此克鲁格襟翼必须分割成更多的小段，并安排很多支撑机构方能有效工作。波音B747将各种复杂克鲁格襟翼使用到了巅峰：B747-100到300型的两侧机翼一共布置了26块各式各样的克鲁格襟翼，而400型更多达28块；每一小块克鲁格襟翼都安排2套支撑连杆和作动器，因此波音B747的机翼前缘增升装置在各类民机中复杂程度达到最高，而新一代的波音B747-8仍然沿袭了这些特点（图8-9）。

图6 一架波音B707-320在起飞爬升时逐步收起它一系列早期设计的克鲁格襟翼，发动机短舱上的辅助进气门处于打开状态

图7 仰视波音B737-800发动机内侧的折叠前缘式克鲁格襟翼，左侧边缘紧贴发动机短舱，弹簧用于补偿运动时与短舱发生的干涉变形

图8 波音B747-400机翼外段采用带缝道的变弯度克鲁格襟翼，可见其如鱼骨般紧密排列的众多连杆机构

图9 至今，新一代的波音B747-8仍沿袭了B747家族祖传的复杂克鲁格襟翼，材料、工艺则更上一层楼

如今，克鲁格襟翼的风头已经彻底被前缘缝翼盖过，它现在更多担任的是“查漏补缺”的角色：前缘缝翼设计中最令人困扰的便是其翼展方向的连续性因为各种因素被打断，上下翼面本来好端端的压力差会因为缝翼的不连续而“撒气漏风”，使增升效果大打折扣，就像人掉了一颗门牙就难以吐字清晰一样。此时，克鲁格襟翼仍有一席用武之地。

波音公司的增升装置设计一直以精妙复杂的机械构造来换取优异的增升效果；而同样作为民机巨头，空中客车公司则一直崇尚更简洁的构造形式，但由于早期空气动力学设计的局限性，必须更多的关注细节，才能达到相同的增升效果，这在空客的前期产品A300和A310上体现的很明显。出于几何限制和结构布置等因素，A300的前缘缝翼难以一直延伸到翼根，因此前缘缝翼展开后形成的翼身间隙必须借助克鲁格襟翼来填补（图10）。A310虽然是A300的机身缩短型，但机翼采用了全新的气动设计和制造工艺，翼根虽经精细整流但厚度明显增加，更加限制了前缘缝翼的全翼展布置，因此空客仍然坚定的保留了那一小块克鲁格襟翼。

图10 起飞瞬间的空客A300B4，翼根的一小块克鲁格襟翼填补了前缘缝翼与机身的间隙，注意缝翼与发动机挂架吻合处的半圆形缺口

图11 进场着陆时的空客A310-300，虽然翼根经过明显整流但仍须小块克鲁格襟翼填补间隙，前缘缝翼与发动机挂架之间的密封也继承了A300的特点

这里插一句，空客追求细节的思想还体现在A300和A310前缘缝翼与发动机挂架的密封处理上。缝翼的展开下垂运动会与发动机挂架发生接触干涉，因此在相应的位置上开设了半圆形的避让缺口并采取了相应的弹性结构设计（图10-11）。缝翼在收起时，机翼表面光洁如初；在完全放下后，则缝翼缺口与挂架紧紧贴合，实现了气动外形的连续性。俄罗斯的伊尔-76军用运输机的前缘缝翼也采用了类似的设计（图12）。

然而随着发动机涵道比不断增加，短舱直径也不断加大，上述解决方案对翼吊发动机的飞机来说已经无济于事，因为这时候的发动机挂架甚至发动机短舱的上表面都已经高于机翼的下表面，连续结构的前缘缝翼无论如何也不能跨越这个障碍了。空客公司只寄希望于挂架与其附近前缘缝翼的局部修型，而波音公司仍然倔强的使用它引以为傲的克鲁格襟翼来为它的拳头产品波音B777的缝翼“堵漏”（图13），这种思想一直沿用到其最新型的波音B787飞机上——可见“梦想飞机”并非凭空产生，它也拥有波音民机的古老血统。

图12 伊尔-76MD军用运输机的前缘缝翼也开设了相应缺口保证与发动机挂架严丝合缝，它还采用了少有的后缘三缝襟翼设计

图13 地面滑行的波音B777-200ER，一小块克鲁格襟翼填补了内侧前缘缝翼与发动机挂架之间的间隙

下垂式前缘作为增升装置更多的是运动在军用战斗机、攻击机或教练机上，而在当代大型民用飞机上则很少采用，但对于庞然大物空客A380是个例外。翼吊的发动机将A380的一侧机翼间隔成三大段，中、外侧的两段使用的是前缘缝翼，最内侧机翼则局部使用了下垂式前缘（图14）。A380硕大的机翼在内侧已经渐变的极其肥厚，机翼根部的翼型头部也很圆胖丰满，给设计前缘缝翼带来了很大困难；另外飞机的空气动力学设计中并不需要机翼内侧具有缝翼带来的优良失速特性，因此采用相对简单的下垂式前缘也许是个更明智的选择。双层客舱的A380具有前所未有的高客座量，为了满足90秒内人员全部撤离的要求，机身上的应急逃生舱门也远多于其他客机。空客官方资料也曾含蓄的指出机翼内侧采用下垂式前缘也是不得已为之：紧急时刻，所有充气滑梯必须快速安全的释放，如果采用全翼展前缘缝翼的设计，很可能对机翼前缘上方舱门弹出的滑梯产生剐蹭损伤甚至卡阻，而下垂式前缘则能保证上翼面的光顺，避免这些累赘（图15）。另外，下垂式前缘也避免了高速气流穿过前缘缝翼狭窄缝道时产生的凄厉尖叫，改善了飞机低空飞行的噪声特性。

因此我们可以看到，飞机的空气动力设计有时候也并非是纯粹的追求优良的气动性能，而是受到很多现实的约束，有些也出于各大制造商自身独到的经验和设计传统。