飛機機翼能彎曲到什么程度？

機極級技

飛機在進行靜力試驗時，被“五花大綁”固定起來。其中，機翼部分會根據(jù)試驗設計要求被鋼纜吊著上下擺動。(周逸云/繪)
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前段時間，有一張A350XWB機翼靜力試驗的動圖（GIF圖），在微信朋友圈、微博、知乎等平臺上廣為流傳。圖中的飛機被五花大綁著，而機翼部分被多條鋼纜吊起來，像小鳥揮舞翅膀一樣上下擺動，其彎曲變形幅度之大令人驚嘆，讓人不禁要問：飛機機翼到底能彎曲到什么程度？

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“塑料”飛機為“逆天”變形提供可能

我們可以先用手邊的工具做一個比較簡單的模擬。比如你手里拿了一把30厘米刻度的塑料直尺，首先將直尺的一端固定，然后用手把直尺另一端向上提升。這把直尺能夠彎曲的程度就是看沒有被固定的一端被提起的高度。那么，飛機機翼能彎曲到什么程度呢？

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這里有一組直觀的數(shù)據(jù)。A350XWB機翼翼展為64.75米，翼尖最大向上彎曲約5.2米。被稱為夢想客機的波音787機翼翼展為60.1米，翼尖最大向上彎曲達到7.9米。可見上述兩款最新機型特別是波音787飛機的機翼彎曲程度堪稱“逆天”，隨之而來的疑問是：如此大的變形是如何實現(xiàn)的？

材料是最主要的因素之一。如果仍以直尺作一個不太恰當?shù)谋扔鳎瑯娱L度的兩把直尺，一把是塑料的，一把是鋼的，給它們施加同樣的力去提升，所能夠達到的程度肯定是不一樣的。

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對于當前的飛機制造來說，復合材料用量是衡量一款飛機先進性的主要標志之一。而A350XWB和波音787飛機的復合材料用量均高達50%，高比例的復合材料用量讓這兩款飛機被冠以“塑料飛機”的美譽。不僅如此，在其復合材料使用中，為飛機提供升力的機翼主結構采用了復合材料設計，這為機翼的“逆天”彎曲變形提供了可能。

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復合材料究竟有什么“魔力”能讓機翼出現(xiàn)如此大的彎曲？簡單來說，這是因為復合材料具有較高的比強度、比剛度。當它用作大展弦比機翼材料時，在滿足強度要求、氣動要求的前提下，綜合考慮氣動彈性和減重性能，可以使復合材料機翼比常規(guī)材料機翼變形劇烈。因此復合材料機翼是現(xiàn)階段實現(xiàn)上述“逆天”變形的前提條件。

變形有好處也有麻煩

機翼較大彎曲變形對飛機有什么影響呢？最直接的影響就是飛機的氣動性能了。如果設計師在此基礎上進行針對性設計，可實現(xiàn)更高速、更環(huán)保、更高效、更節(jié)儉的目的。波音787在此基礎上采用了前瞻性的空氣動力技術，比如可變翼腔技術、層流型短艙技術、平滑機翼技術等。

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這些技術讓飛機在巡航飛行中，能夠持續(xù)優(yōu)化翼型和效率，從而降低油耗和成本。在空客官網對A350介紹中也提到：“A350XWB飛機采用了最新的氣動外形、最好的設計理念和最先進的技術，燃油效率較同級別遠程競爭機型提高了25%。”

不過，必須承認的是，機翼較大的彎曲變形為某些功能性設計帶來不便，比如密封設計、管路布線、機構協(xié)調等。這是因為機翼彎曲變形會放大結構間隙，對密封結構構型、密封材料選擇等提出了更高要求。同樣，內部管路布線和機構協(xié)調要考慮機翼彎曲變形程度，保證在機翼彎曲變形時能夠滿足功能性要求。

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安全性能優(yōu)先保障

對飛機而言，安全性是永恒的主題，當看到機翼“逆天”彎曲變形之后，不少人會對飛機的安全性提出質疑，會擔心這樣會不會把機翼折斷。對此也不必過于擔憂。

飛機在設計時是按照極限載荷設計的，而所謂極限載荷是飛機在使用壽命期間所承受的最大載荷放大1.5倍得到的，并留有一定的安全裕度。事實上，每一型飛機在交付之前都經過了整機的靜力和疲勞損傷容限試驗驗證，而試驗所用載荷也為極限載荷。不僅如此，在驗證過程中還綜合考慮了飛機遇到的各種載荷工況。因此在如此嚴苛的設計和試驗驗證前提下，飛機的安全性是毋庸置疑的。

此外，文章開頭所描述的“逆天”彎曲變形在乘客乘坐飛機飛行過程中并不會出現(xiàn)，僅存在于試驗環(huán)節(jié)。綜合飛機遇到的各種機動飛行動作和氣動載荷，機翼受到最嚴重的向上載荷工況為2.5g正過載（即飛機升力為重力加速度的2.5倍），此時飛機會產生服役過程中的最大彎曲變形。

上文我們提到，試驗載荷為極限載荷，對應最嚴重向上載荷工況（2.5g過載）的1.5倍，此時飛機機翼會產生“逆天”彎曲變形。因此已經交給航空公司運營的飛機在日常情況下，其機翼最大彎曲變形比試驗載荷下的變形要小得多。

飛機受到最大向上載荷，需要同時滿足飛機以最大商載、最大起飛重量起飛，特定的飛機速度，并且遇到連續(xù)突風等嚴酷的自然環(huán)境狀況等一系列條件才能出現(xiàn)，并不是飛機飛行過程中的常態(tài)。但即使偶有發(fā)生，經過了上述極限載荷的試驗驗證，你還擔心機翼會折斷嗎？

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了解了這些，下次再乘坐飛機時，靠窗而坐，看著窗外穿梭于云海中的機翼在空中劃著優(yōu)美的弧線，在領略大自然鬼斧神工的同時，你是否也會感嘆一下飛機設計師們別具匠心的魅力？