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上、中、下单翼各有什么优缺点?讲讲机翼的设计

机翼作为飞机的重要组成部分,其主要作用是为飞行产生升力,提升飞行稳定性和操纵性。与此同时,根据飞机的设计用途,机翼内部还可装载弹药、油料、设备等;机翼外部也可安装挂载发动机、起落架、武器弹药、副油箱等。除了机翼的作用和主要功用外,你是否也曾注意到不同飞机的机翼安装位置也不同,这背后有什么设计意图和技术考量呢?

在讨论机翼安装位置之前,我们需要先要了解一下机翼的数量。根据机翼数量不同,可划分为单翼机、双翼机、多翼机三种。双翼机指的是有上下并列配置的两副机翼的飞机;像苏联的伊-15、别-2,日本的Ki-10,意大利的菲亚特CR.32等著名飞机都采用了双翼布局设计。这些飞机作为20世纪前期的产物,大都采用前置活塞发动机,发动机功率低、重量大、飞行速度慢,为了提供足够的升力,故采用了双翼设计。但随着技术发展,飞行速度不断提升,双翼及其支柱却因其阻力过大,而成为了一种累赘。遂逐渐退出了历史舞台。多翼机,比如德国福克DR-1三翼机、英国FK-10四翼机等,也和双翼机一样,在飞行技术和速度的提升中逐渐被淘汰。现如的主流飞机,包括:民用客机、歼击机、军用运输机、轰炸机等固定翼飞机都以单翼为主。根据机翼位置可以大致分为这三类布局:上单翼、中单翼、下单翼。

上单翼

图片来源:航空工业

上单翼顾名思义是指:机翼在机身顶部的布局形式。这种机翼布局形式常用于军用运输机上。解放军的运20、运9、运8、运12;美军的C-5“银河”、C-17“环球霸王III”、C-130;前苏联的伊尔-76、安-124、安225;空中客车A-400M等世界主力军用运输机都采用了上单翼。

对于军用运输机来说,上单翼设计使机翼离地间隙更大,悬吊发动机的空间更大,遂而使发动机离地间隙更远。对于军用运输机时常要在砂石、草地等简易跑道上的起落,上单翼设计让飞机不易将跑道上的异物吸入发动机,损伤设备。其次,上单翼飞机还具有视野开阔的特点。向下的方向没有机翼的遮挡,更易观察到地面状况,这对于时常要担负空中投送任务的运输机来讲十分关键。与此同时,空间问题也是重要的考量因素,上单翼的设计能最大程度利用机身空间,减少对机体空间的挤占。对于这个优点的原理,在这里需要先介绍一个概念——中央翼盒。

简单来说,中央翼盒类似于一个插座,两个机翼插在其中,起到连接机翼和机身的作用。上单翼的设计可以使中央翼盒从机舱顶部通过,外置中央翼盒从外面看飞机背部就好似有一个“大鼓包”。这样一来,货舱内部空间更为宽敞,直通式的货舱能更好满足大批量运兵需求和大尺寸超长超宽特种货物运输需求。当然,采用外置中央翼盒的上单翼飞机,也会对飞机整体气动外形有所影响,使飞行阻力有所提升。

中单翼

中单翼飞机就是指机翼安装在机身中部的设计。战斗机应用居多,歼-8、米格-21等都是中单翼设计。中单翼能更好的将机翼和机身一体化,这样就能优化飞机的气动外形结构,更有效的提升升力系数和机动能力。挂弹作业也是战斗类飞机要考虑的。中单翼让机翼离地有一定间隙和空间,但也能让地勤人员更轻松的完成挂弹任务。一体化的机翼设计,可以不占用宝贵的机体空间,起落架也可布置在机翼下方来让机体空间利用最大化。这对于战斗机、截击机等飞机弥足珍贵。

下单翼

下单翼飞机的机翼直接穿过机身,在民航客机上广泛应用。民用客机对安全、舒适、航程、高经济性有着十足的要求。民机采用下单翼设计的第一个原因就是由其本身的任务性质决定的。和军用运输机相比,民用客机无需过多考虑超长超宽超重货物的运输问题,这样中央翼盒的占地问题在民用飞机上显得没那么重要了,即便将货舱一分为二但对运人为主的客机来讲,在设计时无需过多的考虑;同时,洲际客机的中央油箱、机翼油箱满载燃油时,下单翼的设计也可以提升机翼强度和整体稳定性;民用客机不用考虑在恶劣机场起降的需求,也就对发动机离地间隙没有过多的设计考量。从舒适度的角度上来讲,下单翼飞机不占客舱空间,这样一来给予了客舱设计布置很大的自由度。由于许多干线民航客机都采用翼下悬吊发动机的设计布局,下单翼的设计能一定程度上减少噪音对客舱的影响。从安全的角度说,下单翼飞机离地更矮,紧急撤离时可以作为逃生通道,提升疏散效率。高使用频次的民航客机,使下单翼更方便完成航前航后的检查,这也是一大优势。

机翼的摆放位置体现了不同飞机为满足不同任务而做出的不同设计。这些设计和气动外形都是经过千万次的验证而得出的最优解。随着技术的不断更新迭代,飞翼式布局等看似科幻的机翼都成为了现实,未来人类还有可能设计出哪些机翼形态呢?