飞机快速平稳起降的奥秘

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  伴随着发动机的阵阵轰鸣,ARJ21-700飞机快速滑过跑道,轻盈一跃,冲向蓝天。多么出色的起飞性能!人们在赞叹之余,不禁要问:是什么助推飞机快速、平稳起降?
  起降需要高升力
  凭借机翼产生的升力,飞机翱翔于蓝天中。一般而言,机翼的面积越大,产生的升力也越大。因此,大型客机的两个机翼展向很长,翼面很宽。
  然而,更大的机翼往往意味着更大的结构重量,飞机本身的重量过大,将影响其经济性。为此,选择最佳的翼剖面形状就成为飞机研制过程中一个十分重要的环节。
  现代客机大都采用先进的超临界机翼。这种翼型的上表面平直光滑,下表面尾部非常特殊:很薄并向下圆弧弯曲,有助于飞机在高亚音速飞行时,延缓高速气流带来的激波,减少阻力。
  为了进一步提升飞机的起降性能,现代客机的机翼前缘、后缘均设置了多块可活动的舵面一一前缘缝翼和后缘襟翼。当前缘缝翼向前下方伸展或后缘襟翼后退偏转时,便扩大了翼剖面的面积,同时增大了整个翼型的弯度,能有效提高机翼升力。
  此外,增加襟、缝翼舵面的数量和面积也不失为一项高明之举。现代客机的整个机翼前缘布满了缝翼,机翼后缘有四块硕大的内、外襟翼。控制和驱动这些舵面作复杂运动的系统被称为飞机高升力系统。
  巧妙的运动形式
  有别于绕着固定支臂偏转的升降舵和方向舵,飞机的高升力舵面沿它自身的滑轨运动。缝翼的滑轨多为圆弧形,半径很大,有超过半米的,有利于伸出时机翼面积增加更多。
  而肩负主要增升重任的襟翼却不一样,早期客机使用与缝翼相同的圆弧滑轨,现代客机大都采用“直线 圆弧”形滑轨。这类滑轨从设计、制造到安装都极为复杂,但增升效果非常突出。
  飞机起飞时,襟翼沿直线大距离伸长,向下偏转很小,约15。,达到机翼面积增加大、阻力却很小、增升效果极佳的目的。飞机降落时,襟翼仍向后退,进入圆弧段,下偏到最大的40。,产生的升力大,阻力也大,大大缩短了飞机着陆滑跑的距离。
  滑轨在机翼上的安装也大有讲究。以往因考虑承载和简便,大多将滑轨安装在机翼后梁上。其实,机翼产生的升力大小与气流方向密切相关,滑轨按照顺气流方向布局,增升效果最好。尤其对于超临界机翼而言,采用滑轨顺气流安装,一个个裸露在机翼下表面包裹着襟翼滑轨滑轮架的整流罩,宛如橄榄球似的,由于横截面小,迎风阻力减至最小,大大增加了飞机的航程。
  尽管所有的滑轨沿顺气流布置,但舵面并不一定按顺气流方向运动,而是绕着各自的转轴线偏转。内襟翼转轴垂直顺气流,可作近似顺气流方向转动。而外襟翼的运动却不同,它的转轴受机翼后掠、上翘的影响,向后运动的同时,还有横向的不均匀位移,形成非常复杂的空间运动。
  理论上讲,内、外襟翼不可能形成同步运动。究竟如何使内、外襟翼运动趋于同步,已成了当代客机设计最难啃的技术问题之一。目前,解决这一问题的最好办法是,采用与襟翼相连接的带球铰的滑轮架,以及开展多轮繁杂的多元方程计算,确定襟翼作动器等相关件的精确空间位置及尺寸等,使其运动趋于同步。
  电传控制优点突出
  舵面的运动依赖于动力,驱动高升力舵面运动的动力一般为直流电机或液压马达。在现代客机中,电机、液压马达的运动为电传控制。驾驶员移动控制手柄发出指令信号,触发手柄上的多重传感器,通过导线(电缆)分别传输到襟、缝翼各两台数字计算机。与此同时,计算机还接受遍布机翼上的多个传感器的信息,进行大量比较和复杂计算,然后指令电机或马达转动,由此形成了一个闭合的电传控制伺服回路。
  实际上,每个系统回路中,两台功能完全相同的计算机只需要一台就能胜任全部工作,另一台作为余度。为了防止一个小的故障导致两台计算机都不能正常运转,两台计算机采用了构型不同的主板和CPU,编写程序的语言各异,就连编程、校对人员也不相同,从而使计算机的故障率降到极低。
  电传控制的一个突出优点,无疑是它用导线取代了传统系统中的传动线系 钢索或拉杆,大大减轻了系统重量。而且,从驾驶舱穿过机身到机翼两侧长达30~40米的导线可随意转向拐弯,布置非常简便。以往,同样长的钢索及滑轮架常常受结构、系统间狭小空间的限制,安装困难重重,计算也相当繁杂。
  高安全性是电传控制的又一个突出优点。过去,飞机在下降放襟翼的过程中,有时会遇上突如其来的高速气流袭击,导致作用在襟翼上的载荷过大,酿成机毁人亡的惨剧。
  现代客机的电传控制系统中普遍置入了“载荷减缓”功能。飞行中,多种传感器把飞行速度、大气数据及飞机姿态等各种各样的信息传输给计算机,一旦遇到突发情况,计算机会指令电机或马达将襟翼收回到小角度,确保舵面安然无恙。
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