飞机设计趣闻——机翼大小带来的高速与低速性能的矛盾
一般来说,大机翼有利于起飞着陆,小机翼有利于高速巡航。大小机翼之争,实际就是说,在设计中是应更多地照顾飞机起飞着陆的低速性能,还是更多地照顾飞机巡航的高速性能的问题。对于大型飞机来说,低速性能要求机翼之“大”,与巡航性能要求机翼之“小”,两者相差很远。在实际设计中,总是力图加大机翼增升装置(襟翼)的增升作用,使机翼在满足着陆要求的条件下做得尽可能小些,以尽量满足高速飞行中的小机翼要求。
飞机向大型化发展,飞机的起飞吨位不断增加,因此提高襟翼的增升能力,是飞机大型化中必须不断研究的问题。
1954年,美国推出了它的第一种喷气客机367-80型,这是波音707的前身。虽然在此前,欧洲和前苏联已经推出过几种喷气客机,如英国的“彗星”号、“三叉戟”,苏联的 图-104,法国的“快帆”等等,但是这些客机的载客量都是在100座以内,票款的收入很难与在具有喷气技术飞机上所付出的代价平衡,因此在运营经济性上都不很成功。美国大胆地推出的波音707的载客量是180人,比以前的喷气客机的载客量几乎提高一倍。这种机型很快在全球民用喷气客机市场上打开了局面,并同时成为一种极有军事价值的空中飞行平台,其军用改型得到美国军方的大量采用。因此有人认为,波音707是真正打开“喷气时代”大门的机种。
但是这种载客量的飞机,它的机翼载荷必须进一步提高才能充分发挥效能。这就要求机翼上的增升装置必须提高其增升效果,才能满足飞机在起飞着陆低速飞行阶段的性能要求。波音707在机翼后缘采用了“双缝襟翼”,即在襟翼放下后,从襟翼前缘造成两股气流吹拂襟翼上表面,以防止在襟翼大偏角度下上表面的气流分离。同时,在机翼的前缘则采用了全翼展的“前缘襟翼”以改善机翼的弯度。
有意思的是,机翼后缘的襟翼放下后,在机翼根部造成的气流缝隙,理论上会减小增升效果。为了考察在实际飞机上这个作用是否显著,波音公司特地在一架试飞的飞机上,事先用螺栓固定一块档板把这个缝隙堵上,然后再让试验机带着放下的襟翼起飞,在空中观察试验效果。试验中果然发现,飞机的失速速度有进一步的降低,有利于改善起飞着陆性能。因此在后来制造的波音707飞机上,其机翼内侧襟翼的内端,都安装有一块带滑轨的角片,以用来堵塞襟翼放下时的缝隙。由此人们可见,设计师们为了发掘出增升装置的潜力,在设计细节上是如何地不遗余力。
在近代大型飞机的设计中,甚至还要考虑飞机在进入失速时,由于飞机本身可观的惯性影响,飞机的实际失速速度可以低于预测的失速速度。如果将这个效应考虑进去,机翼面积可以比理论预计的再减小10%以上的量级。这样选择出的机翼面积,就可进一步接近高速巡航所需要的“小机翼”面积了。