前段时间,有一张A350XWB机翼静力试验的动图(GIF图),在微信朋友圈、微博、知乎等平台上广为流传。图中的飞机被五花大绑着,而机翼部分被多条钢缆吊起来,像小鸟挥舞翅膀一样上下摆动,其弯曲变形幅度之大令人惊叹,让人不禁要问:固定翼飞机机翼到底能弯曲到什么程度?
我们可以先用手边的工具做一个比较简单的模拟。比如你手里拿了一把30厘米刻度的塑料直尺,首先将直尺的一端固定,然后用手把直尺另一端向上提升。这把直尺能够弯曲的程度就是看没有被固定的一端被提起的高度。那么,飞机机翼能弯曲到什么程度呢?这里有一组直观的数据。A350XWB机翼翼展为64.75米,翼尖最大向上弯曲约5.2米。被称为梦想客机的波音787机翼翼展为60.1米,翼尖最大向上弯曲达到7.9米。可见上述两款最新机型特别是波音787飞机的机翼弯曲程度堪称“逆天”,随之而来的疑问是:如此大的变形是如何实现的?
材料是最主要的因素之一。如果仍以直尺作一个不太恰当的比喻,同样长度的两把直尺,一把是塑料的,一把是钢的,给它们施加同样的力去提升,所能够达到的程度肯定是不一样的。对于当前的飞机制造来说,复合材料用量是衡量一款飞机先进性的主要标志之一。而A350XWB和波音787飞机的复合材料用量均高达50%,高比例的复合材料用量让这两款飞机被冠以“塑料飞机”的美誉。不仅如此,在其复合材料使用中,为飞机提供升力的机翼主结构采用了复合材料设计,这为机翼的“逆天”弯曲变形提供了可能。
合材料究竟有什么“魔力”能让机翼出现如此大的弯曲?简单来说,这是因为复合材料具有较高的比强度、比刚度。当它用作大展弦比机翼材料时,在满足强度要求、气动要求的前提下,综合考虑气动弹性和减重性能,可以使复合材料机翼比常规材料机翼变形剧烈。因此复合材料机翼是现阶段实现上述“逆天”变形的前提条件。
了解了这些,下次再乘坐飞机时,靠窗而坐,看着窗外穿梭于云海中的机翼在空中划着优美的弧线,在领略大自然鬼斧神工的同时,你是否也会感叹一下飞机设计师们别具匠心的魅力?