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襟翼(Flap)

襟翼(Flap)

  襟翼是安装在机翼后缘附近的翼面,是后缘的一部分。襟翼可以绕轴向后下方偏转,从而增大机翼的弯度,提高机翼的升力。襟翼的类型有很多,如简单襟翼、开缝襟翼、多缝襟翼、吹气襟翼等等。

  飞机的翼前缝条主要在飞机起飞及降落时,增加阻力及升力,是经由滑轨的前推及收回产生作用。

  前缘襟翼:后缘襟翼都位于机翼的后缘,如果把它的位置移到机翼的前缘,就变成了前缘襟翼。前缘襟翼也可以看作是可偏转的前缘。在大迎角下,它向下偏转,使前缘与来流之间的角度减小,气流沿上翼面的流动比较光滑,避免发生局部气流分离,同时也可增大翼型的弯度。  一 前缘襟翼

  位于机翼前缘的襟翼叫前缘襟翼。这种襟翼广泛用于超音速飞机上。因为超音速飞机一般采用前缘尖削,相对厚度小的薄机翼。在大迎角飞行,机翼上表面前缘就开始产生气流分离,最大升力系数大大降低。大迎角飞行时,放下前缘襟翼,一方面可减小前缘与相对气流之间的角度,使气流能够平顺地沿上翼面流过。另一方面也增大了翼切面的弯度。这样,气流分离就能延缓,而且最大升力系数和临界迎角也都得到提高。属于前缘襟翼的还有一种叫克鲁格襟翼,装在前缘下部向前下方翻转,既增大机翼面积,又增大了翼切面的弯度,所以具有很好的增升效果,构造也很简单。这是最新研制的一种增升装置。波音喷气客机都使用了此种襟翼。

  现代中型或大型客机和高速军用飞机,为提高增升效果,往往同时采用几种升装增置(叫组合式增升)。

  注:为避免失速人类发明了前缘襟翼。前缘襟翼的作用是干扰气流的分离时间。在大迎角时,前缘襟翼向下偏转,减小机翼的迎角,延迟气流分离的时间,避免飞机的失速

后缘襟翼

      襟翼位于机翼后缘,叫后缘襟翼。它的种类很多,较常用的有:分裂襟翼、简单襟翼、开缝襟翼、后退襟翼、后退开缝襟翼等。放下襟翼既可提高升力,同时也增大阻力。所以多用于着陆。有的飞机为了缩短起飞滑跑距离,起飞也放襟翼,但放下角度很小。

(一)分裂襟翼

    这种襟翼本身象一块薄板,紧贴于机翼后缘。放下襟翼,在后缘和机翼之间,形成涡流区,压力降低,对机翼上表面的气流有吸引作用,使其流速增大,上下压差增大,既增大了升力,同时又延缓了气流分离。另一方面,放下襟翼,机翼翼剖面变得更弯曲,使上、下表面压力差增大,升力增大。由于以上两方面的原因,放下分裂襟翼的增升效果相当好,一般最大升力系数可增大75-85%。但因大迎角放下襟翼,上表面的最低压力点的压力更小了,使气流更易提前分离,故临界迎角有所减小。

(二)简单襟翼

     简单襟翼与副翼形状相似,放下简单襟翼,相当于改变了机切面形状,使机翼更加弯曲。这样,空气流过机翼上表面,流速加快,压力降低;而流过机翼下表面,流速减慢,压力提高。因而机翼上、下压力差增大,升力增大。可是,襟翼放下之后,机翼后缘涡流区扩大,机翼前后压力差增大,故阻力同时增大。襟翼放下角度越大,升力和阻力也增大得越多。

放下襟翼,升力和阻力虽然同时增大,但在一般情况下阻力增大的百分比要比升力增大的百分比要大些,所以升阻比是降低的。

    在大迎角下放襟翼,机翼上表面最低压力点的压力,比后缘部分的压力小得更多。这更促机翼后部附面层中的空气向前倒流,迫使气流提早分离,而使涡流区扩大。因此,放下襟翼后,机翼的临界迎角要比不放时小些。

    某飞机放下襟翼和未放下襟翼两种情况下的飞机极线。由曲线看出:放下襟翼后的升力系数和阻力系数普遍增大,最大升力系数增大,临界迎角减小,升阻比降低。

由于这种襟翼的增升效果不是很高,故一般多用于低速飞机,高速飞机很少单独使用。

(三)开缝襟翼

    开缝襟翼是在简单襟翼的基础上改进而成的。放下开缝襟翼,一方面襟翼前缘和机翼后缘之间形成缝隙,下表面高压气流,通过缝隙高速流向上表面后缘,使上翼面附面层中空气流速加大,延缓了气流的分离,提高最大升力系数。另一方面,放下开缝襟翼,使机翼更加弯曲,也有提高升力的作用。所以开缝襟翼的增升效果比较好,最大升力系数一般可增大85-95%,而临界迎角降低不多。因此它是中、小型飞机主要采用的类型。

    有一种襟翼的工作原理与开缝襟翼非常相似。放下襟翼时,压缩空气从机翼转折部位喷出,吹掉后缘的涡流而增大升力。这时最大升力系数提高很多,而临界迎角降低较少。这种襟翼叫吹气襟翼。目前,某些高速喷气式飞机的薄机翼上,多采用这种襟翼。

     开缝襟翼是利用气流通过缝隙来延缓气流的分离。但有一定限度,当襟翼的角度增大到一定时,机翼后缘仍会产生气流分离,使增升效果降低。若采用双缝襟翼, 就可克服这个缺点。用双开缝襟翼,将有更多的高速气流从下翼面通过两道缝隙流向上翼面后缘,吹除涡流,促使气流仍然能贴着弯曲的翼面流动。这样,襟翼偏转到相当大的角度,还不致于发生气流分离,因而能提高增升效果。

     双开缝后缘襟翼与单开缝后缘襟翼构造相似,只是有两个缝。在襟翼之前还有一小块翼面,因此放下时与机翼后缘构成两个缝。

     若采用三缝和多缝襟翼,增升效果会更好,但构造复杂、故目前采用双开缝襟翼较为普遍。

(四)后退襟翼

放下后退襟翼,不仅能增大了机翼切面的弯曲度,而且还增大了机翼面积。故增升效果好。高速飞机采用较多。

(五)后退开缝襟翼

     后退开缝襟翼和后退襟翼相似,也可后退。同时又和开缝襟翼相似,当襟翼处于后退位置时,它的前缘和机翼后缘形成一条缝隙。所以它兼有后退襟翼和开缝襟翼二者的优点,增升效果很好,现代高速和重型飞机广泛使用。

     后退开缝襟翼有两种型式:一种叫查格襟翼。这种襟翼后退量不很多,机翼面积增加不很大。最大升力系数可增大110-115%。起飞时,襟翼下偏角度小, 与翼间形成的缝隙大,这样可使阻力系数增加少,而升力系数增加却很多,有利于缩短起飞距离。着陆时,下偏角度大,而与翼间形成的缝隙小,这样阻力系数和升力系数都提高较多,有利于缩短着陆距离。另一种富勒襟翼。这种襟翼的后退量和机翼面积的增加都比查格襟翼多,而且后退到相当位置,与翼间形成的缝隙也更大,增升效果更好。其最大升力系数可增大110-140%但在下偏中,压力中心后移很多,操纵结构也更复杂,这是它的缺点。

前缘襟翼

     位于机翼前缘的襟翼叫前缘襟翼。这种襟翼广泛用于超音速飞机上。因为超音速飞机一般采用前缘尖削,相对厚度小的薄机翼。在大迎角飞行,机翼上表面前缘就开始产生气流分离,最大升力系数大大降低。大迎角飞行时,放下前缘襟翼,一方面可减小前缘与相对气流之间的角度,使气流能够平顺地沿上翼面流过。另一方面也增大了翼切面的弯度。这样,气流分离就能延缓,而且最大升力系数和临界迎角也都得到提高。属于前缘襟翼的还有一种叫克鲁格襟翼,装在前缘下部向前下方翻转,既增大机翼面积,又增大了翼切面的弯度,所以具有很好的增升效果,构造也很简单。这是最新研制的一种增升装置。波音喷气客机都使用了此种襟翼。

     现代中型或大型客机和高速军用飞机,为提高增升效果,往往同时采用几种升装增置(叫组合式增升)。

襟翼的作用

     一架飞机在高空正常飞行的时候,机翼看起来好像是一个整体。其实不然,机翼前缘、后缘都装有长短、宽度不同的翼片,有的可向下偏转,有的可向前伸出,有的可向后滑退,可谓五花八门。由于这些翼片是机翼的附属物,并且可以偏折,正像我们穿的衣服下襟随风摆动一样,因此科学家给这些翼片起了一个十分形象的名称 ———襟翼。平时飞机停在机场上或在高空飞行时,襟翼都收拢在机翼前缘或后缘上,一旦飞机进入起飞或着陆阶段,它们的原形就显露了出来。

飞机为什么要装襟翼呢?请看下文。

1、襟翼的奥秘在于提高升力

     机翼的作用就是产生足够的升力使飞机能飞上天空。如果机翼是一个整体的话,那么在机翼面积、翼型、展弦比确定的情况下,它的最大升力也就是确定不变的了。如果飞机的全部重量是50吨,机翼必须产生490千牛以上的升力才能飞起来。我们知道,机翼面积越大,升力越大;速度越大,升力也越大。换句话说就是:在升力一定的情况下,机翼面积越大,起飞速度可以越小;起飞速度越大,机翼面积可以越小。因此,为了把这50吨的飞机弄上天,我们可以采取这样两个办法:一是选用面积较小的机翼,通过加大起飞速度使升力超过490千牛;二是使起飞速度保持在较低的值上,通过采用大面积机翼以产生490千牛以上的升力。

     这两个办法行不行呢?第一个办法机翼面积较小,飞机的结构重量就较轻,这是优点,但起飞速度大是很不利的,一方面要求机场跑道很长,这很不合算,对舰载飞机更是不利;另一方面,高滑跑速度对安全的威胁极大。第二个方法起飞速度低,有利于缩短滑跑距离,但当飞机起飞后速度增加,大面积机翼便成了累赘,不但重量大使载重量大大减少,而且会使阻力剧增,飞机的耗油量因此显著增加。这种低速时升力小、高速时阻力大的问题称为飞机的高低速矛盾。怎样解决这一难题呢?这就要靠襟翼来实现。

     襟翼的一个主要作用是协调这个矛盾,既不需要很大、很重的机翼,也能在较低的起飞着陆速度下产生足够的升力,使载重、速度、阻力和油耗达到综合性的最佳化。用整体一块的方式设计机翼不能同时满足大载重量、低起飞和着陆速度、低阻力和低耗油率的要求。由于襟翼具体作用是大大提高飞机起飞和着陆等低速阶段的升力,因而统称增升装置。

     襟翼为什么能增加升力呢?在速度一定的情况下,提高升力的办法主要有4种:一是改变机翼剖面形状,增加翼型弯度;二是增加机翼面积;三是尽可能保持层流流动;四是在环绕机翼的气流中,增加一股喷气气流。襟翼就是通过改变翼型弯度、增加机翼面积、保持层流流动而增加升力的。

2、飞机襟翼样式众多

襟翼概念出现得很早。第一次世界大战前,由于飞机速度提高,要求飞机在低速时也能产生足够的升力,于是有人开始了最简单的后缘襟翼的试验探索。

为什么飞机要装襟翼

     简单襟翼就是机翼后缘的一部分。它可以弯曲,这样就会改变机翼弯度,提高升力。不久,又出现了开裂式襟翼。当它放下时,一方面可使翼型变弯,一方面会在机翼后缘形成低压,两方面的效果都是增加了升力。通常,开裂式襟翼可使升力系数提高75%~85%。同时,开裂式襟翼还能增加阻力,对飞机安全、缓慢地着陆有利。

      20世纪20年代,英国著名设计师汉德莱·佩奇和德国空气动力学家拉赫曼发明了开缝襟翼。它是一条或几条附着在机翼后缘的可动翼片,平时与机翼合为一体,飞机起飞或着陆时放下。襟翼片能够增加机翼的面积,改变机翼弯度,同时还会形成一条或几条缝隙。增加面积可以提高升力,形成缝隙可使下表面的气流经缝隙流向上表面,使上表面的气流速度提高,可较大范围保持层流,也可使升力增加,并能减少失速现象的发生。开缝襟翼是襟翼中十分重要的一种。它也可以装在飞机前缘上,通常都是一条。目前大型飞机特别是客机都安装了双缝或三缝襟翼,可提高升力系数85%~95%,效果十分显著。

还有两种襟翼也很常见,一种是富勒襟翼,一种是克鲁格襟翼。

     富勒襟翼是在机翼后缘安装的活动翼面,平时紧贴在机翼下表面上。使用时,襟翼沿下翼面安装的滑轨后退,同时下偏。使用富勒襟翼可以增加翼剖面的弯度,同时能大大增加机翼面积,增升效果非常明显,升力系数可提高85%~95%,个别大面积富勒襟翼的升力系数可提高110%~140%。这种襟翼结构较复杂,多在大、中型飞机上采用,可大大改善起降性能。

    克鲁格襟翼位于机翼前缘。它的外形相当于机翼前缘的一部分。使用时利用液压作动筒将克鲁格襟翼向前下方伸出,既改变了翼型,也增加了翼面积,增升效果也比较好。

飞机襟翼在发展中

     襟翼的发展并没有完结。上面介绍的襟翼装置发展比较成熟,还有一类襟翼概念提出的也很早,但直到现在仍不完善,这就是喷气襟翼。它的设计方案很多,基本思想都是通过从发动机或高压气瓶引出气体,吸向机翼或襟翼表面,达到增加升力、推迟分离、降低阻力、改善失速特性的目的。由于喷气襟翼十分复杂,目前只有个别飞机,如“鹞”式垂直起降飞机和F-4、米格-21轻型战斗机使用了喷气襟翼。其试验工作仍在进行之中 

     通常超轻机不需要安装襟翼,因为襟翼的目的本来就是为了避免失速并且减少起降距离的一种较复复杂的设计,通常在翼展小、速度较快、重量较大的飞机上才设计使用。

      而超轻机本重量轻,翼展大,飞行速度较慢,已经代替了襟翼的作用,此外超轻机因为设计特点对发动机感应灵敏,所以一般飞机降落时速度下降很快,如果加上襟翼无疑增大了飞机阻力,使速度下降更快,因超轻机飞行速度本来就慢,再慢的话襟翼的用途就很不明显。所有有些襟翼对超轻机不仅没有避免失速反而加大了失速的几率。

      所以襟翼即使在超轻机上安装,一般都需要专门设计、计算才安装的,例如CH701系列,个人设计建议不要随意安装。

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