飞机机翼那么单薄,为什么那么重的发动机要挂机翼上?

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大型飞机的翼下发动机设计,最早是从70多年前美国的B-47战略轰炸机开始的。从1950年代开始,这种设计带来的成功经验,几乎影响了所有的大型飞机。

B-47

在喷气式发动机出现之前,大型飞机的发动机大多位于翼中,比如美国的B-17/29重型轰炸机(也有在翼下的,比如英国的兰开斯特)。

到了喷气发动机时代,情况有了不同。由于发动机不再需要抑制横向旋转扭矩,所以它的安放位置可以“随心所欲”,这也就造成了上世纪5、60年代大型飞机造型可谓五花八门。有的发动机在翼下,比如B-47;有的在翼中,比如世界上首架喷气式客机——英国的DH-106;也有的在翼上,比如前苏联的安-72;还有的在飞机尾部,比如波音-727。

DH 106

安-72

波音-727

后来,随着空气动力学和飞控技术的发展,人们发现,将发动机放置在翼下,是最靠谱的做法。原因如下:

1、可以保持机翼上表面平整,有利于增大机翼上表面空气流速,从而提高升力。

固定翼飞机的飞行原理,通俗地讲就是利用机翼上方的空气速度比下方的大,在机翼上方形成一个低压区,从而产生向上的“浮”力。

因此,越是提高机翼上方空气的流动速度,就越能给飞机提供更大的升力。这对于大型飞机来说,有利于提高载重量和燃油效率。


2、可以在距离机身更远的地方安装,从而可以更好地抑制机翼向上的弯曲


B-52的发动机位置,足够远!

大型飞机的翼展都很大,越是到了翼尖,越显得单薄。在大载重量的情况下,飞机机翼就会向上弯曲。而根据飞机的原理,机翼向上弯曲对于升力的影响比较大(力的方向有变化),弯曲严重的话,那一部分的升力就会丧失。如果再考虑到机翼油箱的话,它对机翼的弯曲就非常敏感,承受的范围很有限。

因此,克服机翼向上弯曲就成了大型飞机所必须面对的问题。而将发动机置于翼下,无疑是一个很好的解决方案。我们也可以看到,越是翼展大的飞机,发动机的位置就越靠外,就是这个道理。

3、距离机身和机翼更远,当发动机起火、爆炸时,有利于机身的安全


一架波音飞机的发动机起火

这一点比较容易理解。很明显的是,当发动机位于翼下时,如果发生严重故障,对机翼的影响就会最小,对机身的保护就会最大。相对而言,如果发动机在翼上或翼中,那么在发生起火、爆炸时,很容易对机翼造成损伤,从而严重威胁飞机的安全。

一个简单的道理是:机翼的安全,要比动力更重要。没有动力尚且可以滑行,而机翼受损严重的话,飞机将无法控制,最终只能坠毁。


4、发动机距离地面更近,有利于维护和维修

巡检方便,拆装方便,其他任何位置都没有翼下方便。

5、能减少一部分噪音

这一点可能会有质疑声,我来解释一下。

这个结论主要依据有3点:第一,机翼本身对噪音有一定的阻挡作用;第二,发动机位置更靠下,而客舱位置通常位于上层,也就是说噪音源会更远;第三,发动机远离机体,噪音必然会降低。

当然,这主要是跟翼上、翼中或者机身中部的安装方式来对比,而噪音最小的位置,显然是在飞机尾部。


至于说“单薄”的机翼是否能撑得住发动机,我只能说这个想法实在是多虑了。这里涉及很多空气动力学、材料力学和结构力学的知识,比较枯燥乏味,就不说了。但我可以从侧面举个例子,来消除这些疑虑。比如说直升飞机。相信有这个疑问的人90%都没有想过直升机的原理,所以我就简单说几句吧。

直升机依靠主旋翼产生升力,也就是说,就那么几条叶片要支撑起几吨甚至几十吨的重量。这样看的话,是不是更加不可思议?实际上,如果螺旋桨处于静止状态,用钢丝绳拴住所有叶片外沿,用起重机来起吊的话,螺旋桨将会向上弯曲非常大的弧度,甚至可能会发生折断。但在实际飞行中却不会这样,这一点,固定翼飞机也是类似。所以,与其担心机翼的强度,倒不如担心它的韧性。

因此,对于现代大型飞机来说,把发动机挂在机翼上,是一个必然选择,目前还没有比这个更好的设计。当然这也不是说把发动机放在下面就没有任何缺点,实际上缺点依然有,只不过相对于优点来说,没那么突出而已。

比如:

1、动力不平衡。当出现发动机故障时,发动机距离机身越远,所产生的力矩影响就越大,越不利于飞机的平衡。不过随着飞控技术的成熟,这方面已经没多大影响了。

2、不适用中小型飞机。由于发动机距离地面较近,对于中小型飞机来说,机翼的高度不足以容纳大型发动机,因此需要将发动机进行“整形”,或者安装较高的起落架,这些都不利于飞机的稳定。所以对于一些小型商务机,发动机通常位于机尾两侧或者上方,来避免这个问题。

波音 737 MAX

3、发动机容易受到地面垃圾的影响。因为贴近地面,所以容易吸入更多的杂物。另外,还记得曾经有人向发动机里扔硬币吗?如果发动机高高在上,应该就没那么容易扔了……



所以,总结一下就是:飞机机翼看起来单薄,但它的强度和韧性,足以支撑整架飞机,几台发动机自然也不在话下。而把发动机挂在机翼上,是经过70多年飞行验证的最佳方案,目前来看还没有比这更好的。

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