鯤鵬的翎羽細觀大飛機的機翼增升裝置（一）迎風而動的前緣襟翼

文/圖 吳大衛

鳥兒飛翔靠翅膀，飛機翱翔靠機翼。作為飛機空氣動力學設計中最關鍵的部件，飛機飛行時的絕大部分升力都是由機翼產生的。現代的大型噴氣式民用客機與軍用運輸機在巡航階段多以0.75～0.85 馬赫的高亞聲速飛行在空氣平靜稀薄的萬米高空。從升力的需求來看，維持這些具有光順外形的龐然大物實現高亞聲速巡航并不需要很大面積的機翼，機翼面積過大反而會造成飛機與空氣間摩擦阻力的增加；從推力的需求來看，現代大型飛機的各種氣動阻力經過設計師們的“斤斤計較”已經降到了很低的水平，在巡航階段的發動機推力僅有飛機總重的6%～7%，甚至更低。因此，機翼的升力與發動機的推力有相當一部分裕量是用來滿足飛機正常起飛和著陸時的性能需求。

圖1 洛克希德L-1011 雖在商業上落敗，但技術層面卻不容否認，增升裝置設計處于當時領先水平，圖中可見其降落時打開的前緣縫翼和后緣雙縫襟翼。

雖然現代大型飛機在高速飛行時可以“瀟灑”地直逼聲速，但它們“來自于機場”而且最后必“回歸于機場”。跑道看似長，但用時方恨短，這“迫不得已”的一起一落，飛行速度還不及巡航時的三分之一，尤其是民用客機的起飛和著陸速度都有嚴苛的適航設計要求。機翼面積與發動機推力在設計時雖然已經權衡過，但面對此時來流速度的大打折扣，產生的升力也捉襟見肘，只能將機翼干凈光滑的氣動外形做出徹底的修改、分解，裝備上低速飛行的利器——前后緣增升裝置。當增升裝置展開后，可以將飛機的最大升力提高70%甚至更高的幅度。

圖2 古典風格的“超級信使”輕型飛機也配備了前緣縫翼，因而起降性能優異。

圖3 波音公司的縫翼機構設計草圖，從上世紀70年代開始這種齒輪——齒條機構開始廣泛流行。

圖4 空客A320 下翼面打開的前緣縫翼檢修口蓋，細長的協調軸、聯軸節和伺服電機齒輪箱清晰可見。

圖6 一架波音707-320 在起飛爬升時逐步收起它一系列早期設計的克魯格襟翼，發動機短艙上的輔助進氣門處于打開狀態。

圖7 仰視波音737-800 發動機內側的折疊前緣式克魯格襟翼，左側邊緣緊貼發動機短艙，彈簧用于補償運動時與短艙發生的干涉變形。

圖8 波音747-400 機翼外段采用帶縫道的變彎度克魯格襟翼，可見其如魚骨般緊密排列的眾多連桿機構。

圖9 至今，新一代的波音B747-8 仍沿襲了B747 家族祖傳的復雜克魯格襟翼，材料、工藝則更上一層樓。

機翼的前后緣增升裝置又習慣性地稱為前后緣襟翼，其具體設計形式五花八門，各大飛機制造商根據自身產品的設計特點做出的組合配置更是難以一一枚舉。大體說來前緣增升裝置可以細分為前緣縫翼、克魯格襟翼、下垂式前緣等；后緣增升裝置可以細分為簡單鉸接式襟翼、開裂式襟翼、后緣單縫、雙縫、多縫襟翼等。增升裝置的偏轉、展開不但將一個“死板”的固定翼面轉變為升力系數更大的多段翼，而且明顯的增大了機翼面積，尤其是后緣襟翼的弦向后退運動（又稱富勒運動）甚至可以使機翼面積增大25%以上。

經過長期的演變，當代大型民機的前緣增升裝置在上世紀60年代末就已經主流性地采用前緣縫翼，主要目的在于使機翼前緣下方的高壓氣流摻混進上翼面的低壓區，延緩氣流的分離，使機翼具有良好的大迎角失速特性（圖1）。事實上，前緣縫翼并非由笨重的大飛機專享，它更早是在輕小型飛機上得到廣泛運用。從二戰開始，很多戰斗機的前緣機動襟翼就已經十分接近縫翼的概念，使飛機在中低空纏斗中盡量獲得更小的盤旋半徑和更大的盤旋角速度，同時避免機翼發生嚴重的失速。一直到現代，很多輕型飛機上仍然不厭其煩的保留了前緣縫翼的設計，為的是得到出眾的短距起降性能（圖2）。

前緣縫翼工作的動力來源于液壓或電力驅動的伺服機構，由于縫翼在伸展過程中同時要完成偏轉，因此一般安裝在圓弧形滑軌上。縫翼滑軌在早年的設計中由旋轉作動器或直線作動筒驅動，而自波音公司在70年代將齒輪——齒條機構用于波音757 的縫翼滑軌后（圖3），這種構造形式開始風行于波音、空客等公司的一系列后續先進民用客機的前緣縫翼設計上。這種設計方案的優點體現在結構簡單，可靠性高等方面。機翼由于飛行中會發生彎曲，因此設計師必須沿翼展方向將前緣縫翼分割成結構不連續的幾段，每段縫翼原本獨立的伺服機構最好通過協調軸、齒輪箱或鋼索、滑輪組等機械裝置并聯驅動（圖4），否則飛行中縫翼機構失效導致的意外展開會給飛行安全帶來比較大的麻煩（圖5）。

圖10 起飛瞬間的空客A300B4，翼根的一小塊克魯格襟翼填補了前緣縫翼與機身的間隙，注意縫翼與發動機掛架吻合處的半圓形缺口。

圖11 進場著陸時的空客A310-300，雖然翼根經過明顯整流但仍須小塊克魯格襟翼填補間隙，前緣縫翼與發動機掛架之間的密封也繼承了A300 的特點。

圖12 伊爾-76MD 軍用運輸機的前緣縫翼也開設了相應缺口保證與發動機掛架嚴絲合縫，它還采用了少有的后緣三縫襟翼設計。

圖13 地面滑行的波音777-200ER，一小塊克魯格襟翼填補了內側前緣縫翼與發動機掛架之間的間隙。

其實早在縫翼流行于大型飛機的前緣增升裝置以前，克魯格襟翼占據了相當優勢的地位，至今仍在波音公司的飛機上廣泛采用。從翼剖面劃分來看，前緣縫翼將機翼前緣整體分割，而克魯格襟翼只將機翼前緣的下半部分蒙皮向前掀開，其動力依然來自旋轉作動器或者液壓作動筒。克魯格襟翼在波音公司的飛機中可謂運用到極致，其增升效果在一般迎角范圍內不遜于前緣縫翼，而且阻力較小，重量輕。在波音公司早期設計中采用的簡單鉸鏈式克魯格襟翼其實也就像一個剛性的盒蓋（圖6）；隨后發展了帶縫道的克魯格襟翼具有了類似縫翼可延緩失速的特點；繼而又開發出折疊前緣式和變彎度克魯格襟翼等更復雜的先進設計（圖7～9），一直沿用到最現代化的波音787 上。

克魯格襟翼的缺點也很明顯，它不像前緣縫翼那樣“自成一體”地構成一個能有效承載的完整閉室，而僅僅是剛性很差的薄壁結構，因此克魯格襟翼必須分割成更多的小段，并安排很多支撐機構方能有效工作。波音B747 將各種復雜克魯格襟翼使用到了巔峰：B747-100 到300 型的兩側機翼一共布置了26 塊各式各樣的克魯格襟翼，而400 型更多達28 塊；每一小塊克魯格襟翼都安排2 套支撐連桿和作動器，因此波音B747 的機翼前緣增升裝置在各類民機中復雜程度達到最高，而新一代的波音B747-8 仍然沿襲了這些特點（圖8-9）。

如今，克魯格襟翼的風頭已經徹底被前緣縫翼蓋過，它現在更多擔任的是“查漏補缺”的角色：前緣縫翼設計中最令人困擾的便是其翼展方向的連續性因為各種因素被打斷，上下翼面本來好端端的壓力差會因為縫翼的不連續而“撒氣漏風”，使增升效果大打折扣，就像人掉了一顆門牙就難以吐字清晰一樣。此時，克魯格襟翼仍有一席用武之地。

波音公司的增升裝置設計一直以精妙復雜的機械構造來換取優異的增升效果；而同樣作為民機巨頭，空中客車公司則一直崇尚更簡潔的構造形式。但由于早期空氣動力學設計的局限性，必須更多地關注細節，才能達到相同的增升效果，這在空客的前期產品A300 和A310 上體現的很明顯。出于幾何限制和結構布置等因素，A300 的前緣縫翼難以一直延伸到翼根，因此前緣縫翼展開后形成的翼身間隙必須借助克魯格襟翼來填補（圖10）。A310 雖然是A300 的機身縮短型，但機翼采用了全新的氣動設計和制造工藝，翼根雖經精細整流但厚度明顯增加，更加限制了前緣縫翼的全翼展布置，因此空客仍然堅定的保留了那一小塊克魯格襟翼。

這里插一句，空客追求細節的思想還體現在A300 和A310 前緣縫翼與發動機掛架的密封處理上。縫翼的展開下垂運動會與發動機掛架發生接觸干涉，因此在相應的位置上開設了半圓形的避讓缺口并采取了相應的彈性結構設計（圖10～11）。縫翼在收起時，機翼表面光潔如初；在完全放下后，則縫翼缺口與掛架緊緊貼合，實現了氣動外形的連續性。俄羅斯的伊爾-76 軍用運輸機的前緣縫翼也采用了類似的設計（圖12）。

然而隨著發動機涵道比不斷增加，其短艙直徑也不斷加大，上述解決方案對翼吊發動機的飛機來說已經無濟于事，因為這時候的發動機掛架甚至發動機短艙的上表面都已經高于機翼的下表面，連續結構的前緣縫翼無論如何也不能跨越這個障礙了。空客公司只寄希望于掛架與其附近前緣縫翼的局部修型，而波音公司仍然倔強的使用它引以為傲的克魯格襟翼來為它的拳頭產品波音777 的縫翼“堵漏”（圖13），這種思想一直沿用到其最新型的波音787 飛機上——可見“夢想飛機”并非憑空產生，它也擁有波音民機的古老血統。

下垂式前緣作為增升裝置更多的是運用在戰斗機、攻擊機或教練機上，而在當代大型民用飛機上則很少采用，但對于龐然大物空客A380 是個例外。翼吊的發動機將A380 的一側機翼間隔成三大段，中、外側的兩段使用的是前緣縫翼，最內側機翼則局部使用了下垂式前緣（圖14）。A380 碩大的機翼在內側已經漸變的極其肥厚，機翼根部的翼型頭部也很圓很豐滿，給設計前緣縫翼帶來了很大困難；另外飛機的空氣動力學設計中并不需要機翼內側具有縫翼帶來的優良失速特性，因此采用相對簡單的下垂式前緣也許是個更明智的選擇。雙層客艙的A380 具有前所未有的高客座量，為了滿足90 秒內人員全部撤離的要求，機身上的應急逃生艙門也遠多于其他客機。空客官方資料也曾含蓄的指出機翼內側采用下垂式前緣也是不得已為之：緊急時刻，所有充氣滑梯必須快速安全的釋放，如果采用全翼展前緣縫翼的設計，很可能對機翼前緣上方艙門彈出的滑梯產生剮蹭損傷甚至卡阻，而下垂式前緣則能保證上翼面的光順，避免這些累贅（圖15）。另外，下垂式前緣也避免了高速氣流穿過前緣縫翼狹窄縫道時產生的凄厲尖叫，改善了飛機低空飛行的噪聲特性。

因此我們可以看到，飛機的空氣動力設計有時候也并非是純粹的追求優良的氣動性能，而是受到很多現實的約束，有些也出于各大制造商自身獨到的經驗和設計傳統。

圖14 A380 的前緣增升裝置采用縫翼和下垂式前緣組合搭配，從舷窗里可以辨別出內側的下垂式前緣與固定翼面之間沒有中、外側縫翼具有的縫道。

圖15 圖中展現了A380 耷拉在機翼前緣的充氣滑梯，可以想象如果此處是完全打開的前緣縫翼可能會對滑梯的順利釋放產生不利影響。