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小型飞机知识普及——结构

2015-09-24 11:15阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/5594093430

第9章 结构
前面我们已经了解到，产生升力所需的功率表现为飞机载荷的平方。因此，我们很容易理解为什么设计师总是在寻求使飞机结构轻型化。当然，我们在希望有一个轻型的飞机结构的同时，也希望它足够强大，可以承载一定的载荷而不破裂。
飞机通常是根据特定的载荷要求设计的。例如，大型运输机在机 动飞行时需要承受2.5g的极限载荷。这就意味着，在机动飞行时，其机翼必须能够承载相当于飞机总重量2.5倍的载荷。在此基础上，还需添加一个1.5倍的安全系数。特技表演飞机极限载荷设计要求一般须达到6g。
飞机的结构设计是强度与重量的一种微妙平衡，其目的是使飞机重量尽可能的轻，同时又使结构强度满足所有的载荷规范。面对任何一种结构，许多人想起的第一个问题就是：这种结构足够坚固吗？
如果我们回顾一下飞机坠毁的历史记录，就会发现，自20世纪30年 代中期以来，商用飞机出现结构故障的情况是非常少的。今天，即使是轻型飞机，在飞行中也几乎不会出现结构问题。然而，航空事故报告经常称结构故障是飞机失事的一个原因，但它就像下述报道的情况一样，“汽车开下悬崖，跌落达200英尺，在地面坠毁，车身结构损毁”。在你下一次乘坐航班飞行时，如果看到机翼在湍流中跳动，你不用担心机翼会脱落，因为
它们不会。
一、机翼与跨接
最简单的机翼结构只有一根横梁。就好像放一根木头搭到河对岸，形成一座原始的桥。但是，如果这根木头够不到彼岸的话，你就只能制造一个简单的悬臂梁，或者叫一个跳水板。简单的巴尔沙木玩具飞机使用的是一个平板翼，但其不过是一个简单的悬臂梁而已。因此，从最简单的意义上说，固定翼飞机的机翼就是一个悬臂梁，一端固定在机身上，另一端悬空。
机翼上那些承载载荷的横梁被称为桁架。桁架随处可见。大部分现代建筑的“骨架”都是桁架，如桥梁。图9-1显示了一座典型的铁路栈桥，可说明桁架的应用。早期的飞机在其结构设计中便应用了桁架概念。图9-2 所示的飞机机翼就是一种桁架。
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在飞行的早期阶段，人们认为，为了减少阻力，机翼必须是超薄型的。但超薄机翼缺乏厚度，人们没有办法在一个完全封闭的机翼里建造一个足 够强大的桁架结构。因此，那个时代的大多数飞机采用了双翼结构，如图9-3 所示，上下双翼用支柱和张线加强。但从空气动力学角度来说，这种外部支撑物的存在可能会导致非常高的阻力。 在第一次世界大战后期，德国研究生产了一种较厚的机翼，这种翼型的阻力不比当时任何更薄的机翼的阻力更大。但其更多的支撑结构嵌人在机翼内部，因此只需要较少的张线与支柱。
采用桁架结构的最著名的飞机包括福克Dr.l三翼机、福克D.VII、福克D.VIII等机型。福克Dr.l三翼机曾经获得了传奇般的地位，因为当时的“红男爵”曼弗雷德•希特霍芬在驾驶这种飞机时不幸中弹牺牲。但这只是一种过渡机型，其后来的发展并不是很成功。福克Dr.l 三翼机是首批使用悬臂梁机翼的飞机，如图9-4所示，原型机甚至没有弦外支柱。福克D.VII飞机被认为是第一次世界大战中德国最好的战斗机。值得注意的是，与图9-5所示的SPAD XIII飞机相比，图9-6在第一次世界大战后期，德国研究生产了一种较厚的机翼，这种翼型的阻力不比当时任何更薄的机翼的阻力更大。但其更多的支撑结构嵌人在机翼内部，因此只需要较少的张线与支柱。
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采用桁架结构的最著名的飞机包括福克Dr.l三翼机、福克D.VII、福克D.VIII等机型。福克Dr.l三翼机曾经获得了传奇般的地位，因为当时的“红男爵”曼弗雷德•希特霍芬在驾驶这种飞机时不幸中弹牺牲。但这只是一种过渡机型，其后来的发展并不是很成功。福克Dr.l 三翼机是首批使用悬臂梁机翼的飞机，如图9-4所示，原型机甚至没有弦外支柱。福克D.VII飞机被认为是第一次世界大战中德国最好的战斗机。值得注意的是，与图9-5所示的SPAD XIII飞机相比，图9-6中所示的福克D.VII飞机上缺少机内张线。到第一次世界大战结束时，福克研制出了单翼机——福克D.VIII飞机。该机完全釆用了悬臂式、大展弦比机翼，具有了现代飞机的元素。早期的飞机通常由木框架制成，上面覆盖着棉织物。其翼载很轻，棉线只须支撑50~ 100牛/米2的载荷。如图9-2所示，来自棉线的载荷传递给翼肋，再传给由桁架构成的机翼。机翼会将载荷传递给翼梁，一般来说，机翼前后有两根翼梁。在这种类型的结构中，机翼可以被设计得很轻巧且很坚固。对于速度较低的较小型飞机来说，人们至今还在沿用这样的结构设计。 锡特卡云杉
1917年，当美国加入第一次世界大战时，进行了大规糢的动员工作来建造飞机以提高战斗力。当时最需要的是制造飞机的原材料。制造木材飞机的最好材料是古老的锡特卡云杉。锡特卡云杉具有较高的强度重量比，纹理很长、很直，极少有瑕疵，如木节等。美国西北太平洋地区的锡特卡云杉资源非常丰富。当时，大约有30000名年轻男性平民和士兵被送往华盛顿州南部与俄勒岡州北部沿海地区采伐锡特卡云杉。1918年10月，超过2200万板尺的云杉板被运到工厂。 由于这种努力，太平洋西北地区木材工业获得了腾飞。但到了今天，古老的锡特卡云杉几乎绝迹。
应当指出的是，当今许多轻型飞机都采用了同样的结构设计，只是人们用铝质蒙皮取代了棉纤维，甚至极少数飞机仍在使用纤维织物。当然, 它们使用的是一种合成物质，如涤纶或厚尼龙等，而不是棉线，因为棉线容易腐烂。在桁架结构中，铝质蒙皮并不比棉质蒙皮承载的载荷更多，之所以使用铝质蒙皮是因为该材料的使用寿命比较长而已。
第一次世界大战之后，经过10多年的发展，悬臂式单翼飞机才开始流行。同时，人们开始釆用比钢轻得多的铝合金材料。翼载也越来越大， 机翼蒙皮开始被要求承担一些弯曲载荷。20世纪30年代初，人们设计出了首架应力蒙皮飞机。不过，在应力蒙皮飞机出现之前，有关波纹状蒙皮的简单试验已经开始进行了。
波纹状蒙皮可以有效承载负荷，因为沿波纹轴方向的弯曲非常困难。 在将某种材料做成波纹状后，相同的重量可以承载更大的负荷。例如，在纸板盒内部使用波纹状可以使其朝一个方向变得更坚硬（顺着波纹折纸板盒相当容易，但逆着波纹就很难）。有几种著名的飞机采用的就是波纹状金属蒙皮，如图9-7所示，容克Ju-52在20世纪30年代是德国使用最广泛的交通工具。此外，在20世纪20年代末和30年代初，亨利•福特进行了一系列航空试验，并制造了福特三发飞机（见图9-8)，其也使用了波纹状蒙皮。然而，波纹的 使用是有限度的，因为波纹必须要与气流的流动 方向平行，否则阻力就会大大增加。此外，波纹 增大了机翼表面积，因而也增大了阻力。在飞机制造领域，波纹状蒙皮的应用是短命的。
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早期，人们将棉花纺织成结实 的棉线简笮地缝在机翼的翼肋上。这项工作一般雇用裁缝来完成。

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亨利•福特尝试成为飞机制造业的领导者，他所研发的福特三发飞机于1927年成为世界上首种成功的商用飞机。

 20世纪30年代初期，波音公司设计了波音247飞机，许多人认为这是世界上“第一种先进的客机”。它釆用了收放式起落架、着陆襟翼和恒速螺旋桨，也使用了应力蒙皮。蒙皮承担了部分的弯曲载荷。在理想的机翼结构中，所有部件都应根据横截面面积承担相同的载荷。与压力概念类似，单位面积上的载荷被称为应力。优化设计的机翼结构可以平衡应力，使得所有结构件上的应力水平相等。波音247飞机是最早做到应力平衡的机型之一。这种飞机催生了道格拉斯DC-3飞机（见图9-9〉，该飞机也采用了应力蒙皮。由于结构坚固，目前人们仍能看到DC-3飞机在飞行，当然，现在距 离该机型推出已过去70多年了。

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二、机翼翼盒
现代化运输机的机翼的主要结构是一个很大的空心梁，称为翼梁。图 9-10所示的是机翼翼盒的根段，翼梁在此连接到机身上。翼梁的顶部和底部分别为机翼的上下翼面。前部和后部分别是前翼梁与后翼梁。在蒙皮里侧，可以用加强肋对翼梁进行加强。翼肋可以在垂直于翼盒轴的方向承载各种弯曲、扭转载荷等。机翼翼盒同时也是一个储存燃油的理想场所。在现代化喷气式运输机的设计中，机翼翼盒内能够装载的燃油数量是机翼大小和飞机航程的制约性因素之一。
现代化喷气式飞机机翼的结构，与第二次世界大战之前使用（今天仍然在许多轻型飞机上使用）的飞机的机翼结构存在本质的区别。机翼翼盒承载了所有的弯曲和扭转载荷，而过去的飞机则是由轻型蒙皮承载这些载荷并转移到翼肋上,最后由一根或两根翼梁承载。现代运输机使用的蒙皮代了纤维式或薄片铝蒙皮，厚6 ~ 10毫米，但它们只是翼梁的一部分。
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目前，人们对各种材料的性能的认识已经非常丰富，因此设计师可以在机翼底部和顶部釆用不同的铝合金做蒙皮。在正常飞行时，机翼的底部处于松弛状态，而顶部处于压缩状态，如图9-11所示。因此，这些部位必须采用适合于压缩或拉伸的材料。此外，还必须考虑材料的刚性。B-52轰炸机从地面滑行到以最大过载拉起时，其机翼翼尖偏转可达8米，如图9-12、图9-13所示。图9-12显示的是B-52 轰炸机在地面滑行时的状态，此时机翼需要一个支撑轮，以防止翼尖碰到地面。图9-13所示的是B-52轰炸机左侧翼尖在空中向上弯曲的情形。


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在机翼中存储燃油使飞机具有了额外的优势，即其重量抵消了部分升力载荷，从而减轻了机翼结构的负担。四发飞机也具有相同的优势，因为其机翼外侧悬挂的发动机也可以抵消部分升力载荷。
机翼的前缘和后缘装置通常分别连接在前翼梁与后翼梁上。这些装置包括襟翼、扰流板、前缘增升装置等。请留意图9-12中所示的襟翼。设计人员需要权衡一下机翼翼盒的大小以及连接在机翼翼盒上的增升装置的大小。较大的机翼翼盒可以使机翼更加强固，从而能携带更多的燃油，但是其提供的襟翼空间更小。而较小的机翼翼盒有助于机翼提高增升能力，但会减少航程。
三、 什么是复合材料？
铝合金的应用改善了飞机的性能。但这些合金技术，以及将这些合金用于设计的工具目前都已经达到了一个极限。因此我们必须寻求新材料，继续追求更轻的且更坚固的结构。这些新材料包括碳纤维、芳纶、碳纤维增强塑料（碳纤维布）等。
关于复合材料的使用，已经经历了很长时间。从技术上讲，胶合板就是一种使用木板和胶水的复合材料。第二次世界大战时，英国军队投入使用的“蚊”式轻型轰炸机，就是釆用胶合板作为蒙皮的。这使得该型轰炸机变得极其轻巧敏捷。另外，玻璃纤维也是一种常见的复合材料，其已在高性能滑翔机上使用了几十年。在军用飞机和运输机领域，复合材料的应用也在慢慢发展，其首先应用在次结构件中，后来慢慢地扩展到主结构件中。
四、 复合材料的性能
要了解复合材料如何工作，首先我们必须了解翼梁在载荷作用下的一
些基本性质。图9-11显示的是翼梁在载荷下的弯曲，其上表面被压缩，下表面被拉伸。材料在拉伸与压缩时的反应是不同的。你可以向外拉着绳子的两端，但你不能朝里推它们。你可以向里推一堆松散的砖，但不能向外拉它们。 在钢材被投入使用之前，所有的大型建筑物都只能被压缩，而不能被拉伸。因为石头和砖块用砂浆混合在一起，没有强大的张力。而今天，人们将混凝土済筑在钢筋矩阵上，从而加强了混凝土的张力。复合材料类似于混凝土和钢筋的组合。将树脂（如环氧树脂或其他塑料聚合物）与石墨、芳纶或硅玻璃等纤维混合，会极大地增强纤维的张力，同时增强树脂的载荷承载能力。在一个给定的重量下，石墨复合材料的张力比铝合金更强，而压缩能力大约相同。
剪切力的试验
下面我们使用卫生纸的卷轴来做试验，了解一下剪切力如何影响机箕结构。首先用手掌将卷轴夹在两手中间，并试图扭曲它，你会发 现，卷轴相当硬。现在，用一把剪刀，沿卷轴的整个长度剪开。这时，当你再次试图扭曲它时，卷轴便不能承受扭矩了。原因是在剪切开的卷轴中无法传递剪切强度。
在复合材料结构中，人们可以使用石墨环氧树脂、玻璃纤维、芳纶纤维建造一个I型梁，并使用其他材料来填充。例如，使用硬泡沫填充在梁顶和梁底之间。由于此时承载载荷的体积更大，因此I型梁上的压力非常小。这种类型的结构被称为蜂窝型结构。
我们可以将以上这个设计方法延伸，例如，大型面板也可以在顶 部和底部使用复合材料或金属，而在其内部使用硬泡沫或其他轻型的材料。这样设计的面板的应用范围很广，包括商用飞机的地板。这种面板很轻，但坚固。
五、 疲劳
对于运营效率较高的航空公司而言。一架飞机一天可以运营16小时。 如果飞机用于短程航线，那它一天可能会经历8 ~10个起落。一个起落被称为一个飞行周期，那么飞机的设计寿命一般可定义一定数量的飞行起落。在设计机翼结构时，应该考虑机翼在每个飞行周期中经历的载荷变化。
如果我们拿一个曲别针来回弯曲，大约12次之后曲别针就会折断。 同样，机翼每一次的起飞和降落，也像曲别针一样来回弯曲，从地面下垂 状态到向上托起。我们当然不希望机翼在12次的飞行周期之后就折断。事实上，对于飞机上的许多部件而言，其尺寸的设计不是由极限载荷决定的，而是由其疲劳寿命决定的。如果该部件必须经受住3万~4万个飞行周期，那它必须非常耐用。
除了在设计时考虑疲劳寿命之外，在日常运营中我们也要不断检查飞机结构。所有的通用飞机每年都要求检修一次。只有有认证资格的技工才 能对飞机的关键部件进行检查，以确保没有疲劳裂纹或发生腐蚀。商用飞机都有规定的检查时间表，一般性的检查每100飞行小时进行一次，最全面的检修被称为D检，每隔数年一次。在进行D检时，飞机需要被拆卸，使结构裸露，以供详细检查。这个过程可能长达一个月。
六、 小结
飞机结构的理想状态是：每个部件在极限载荷下才报废，在经历要求的飞行周期后才发生疲劳。这样的结构状态可以保证飞机在正常运行时不会失效。并且，在这种结构状态下，飞机没有任何的安全裕度（有裕度就意味着需要增加额外的重量）。
然而，现实情况是，飞机通常被设计得过于安全了。如果飞机不符合相关条例要求，就不能获得认证，但对于超过这些条例要求的却没有奖励。由于设计一种大型飞机所需的费用很昂贵，波音公司和空客公司研制的大型运输机的性能通常接近于能够容忍的下限。而小型通用飞机的很多性能一般都比规章要求的标准高，这意味着许多单个零件有多余的安全裕度，更坚固且更重，但这并不意味着整个飞机有多余的安全裕度。
飞机结构设计的首要目标是以尽可能轻的重 量承载所需的飞行载荷。遵循这一目标，木质飞机逐步发展成为应力蒙皮复合材料飞机。当今，人们可以使用最先进的轻质材料和最先进的设计与分析工具来设计飞机结构。这样设计出来的飞机结构效率非常高。

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