飞机机翼的结构件组成有哪些?受力情况分别是什么?(飞机机翼的结构特点)

飞机外观最突出的部分是机翼。经常坐飞机的朋友会注意到，飞机的机翼上有很多特殊的设计。虽然每次都能看到，但不一定知道这些部件的作用和名称。这篇文章就是回答你的问题。下次飞的时候，可以对看到的部件有一定的了解。顺便可以跟别人吹嘘一下~(注:以下是关于民航飞机机翼结构、功能、设计原理的简单科普)

为什么机翼不是薄片？

我们都玩过纸飞机，纸飞机是薄机翼，那么民航客机的机翼为什么不薄呢？首先，纸飞机的机翼不能产生升力，只是保证纸飞机向前滑行，就像滑翔伞一样。其次，飞机的机翼需要提供升力、水平侧翻控制、储油、发动机悬挂等复杂功能。战斗机的机翼很薄，但不是薄片。只是相对于客机来说很薄。这是因为战斗机的速度会是音速的几倍，所以涵盖的设计原理和客机不太一样。这里就不讨论了。民用飞机的飞行速度是亚音速，也就是接近音速，所以我们看到飞机的机翼都是我们看到的形状:

我们日常常见的商用客机，包括一些常见的商用客机和飞机机翼，几乎都是这两种形状的设计。为什么飞机的机翼要设计成这种形状和厚度？主要目的是让机翼飞进空，把气流切割成上下两部分，做出两部分的区别。那么，我们用一张图给大家简单演示一下机翼是如何产生升力的:

▲电梯示意图

这个原理主要利用的是压力差，而不是力量或者乌龟气功。机翼上下表面形状不对称，空空气沿机翼上表面运动的距离更长，自然速度更快。根据伯努利定理，速度越快，气压越小，上下表面的压力差提供升力。低速时，飞机的升力原理来源于伯努利定律，但随着速度(马赫数)的增加，这个定律不再适用，所以战斗机的机翼设计也不是这样的。

另外，不设计成薄片的另一个重要原因是坚固性。因为飞机尤其是民航客机和运输机的机翼要承受非常大的飞行重量，机翼的结构会非常复杂。哪怕是薄薄的一片也不能安全通过。

为什么民航客机大多在下翼？

飞机的机翼按安装位置分为三种:安装在机身上部(背部)的上翼、安装在机身中部的中翼和安装在机身下部(腹部)的下翼。目前我们看到大型运输机的机翼多为上单翼，客机的机翼多为下单翼。

▲大部分民航客机都采用下翼设计。

▲大部分运输机都采用上翼设计。

因为下翼飞机的机翼靠近地面，更容易安装起落架和进行维修工作。另外，下翼飞机还有一个问题，就是发动机离地面的距离很近，更容易吸入异物，导致发动机损坏。但是对于民航客机来说，民用机场起飞的条件是极好的，不用担心有异物。但是大型运输机就不一样了，尤其是军用的。一般起飞的条件比较苛刻。比如战线上的机场都是土路，没有高级跑道。所以采用了上翼的设计，让发动机的距离高，也起到了保护作用。

当然，这不是固定的。客机也采用上翼设计，运输机也采用下翼设计。

飞机的机翼是如何承受如此大的重量的？

最简单来说，飞机的机翼使用了非常先进的材料，然后针对这些材料进行相关的结构设计和优化。

机翼的承载能力主要针对材料科学和结构科学。材料的选择一定很重要，而且是多层的。例如，机翼的框架和蒙皮由具有高比强度或高比模量的材料制成。目前飞机机翼的设计趋势是使用复合材料，而不是整个机身，比如起落架，都不能使用复合材料。

▲波音787的结构图

以波音787为例，其主翼结构采用碳纤维复合材料设计。结构形式为双梁单块，目前这种结构设计非常主流。前后两个横梁，中间有很多翼肋，这样横梁和翼肋就形成了机翼的内部骨架结构，外侧是蒙皮和壁板设计。在设计之初，设计师会把机翼的重量和全机将承受的最大重量加入到设计计算中，按照总的最大重量对整个机翼进行设计优化，使飞机的机翼能够承受这么大的重量。

当然，我们在飞行过程中总会遇到颠簸和气流。为什么翅膀不折断也不折断？任何一款新飞机在投入市场之前，都会经过无数次的测试，测试的过程和复杂程度超乎我们的想象。在测试中，湍流和气流的测试也是一个重要的环节，所以投入市场的飞机在面对小气流湍流时不会有任何影响。如果有大的气流变化，地面气象站或者飞机会有预警，飞机可以绕过飞行。此外，一般来说，飞机机翼的设计是优化的。机翼一定角度的弯曲是没有问题的，还能承受3 G的颠簸，所以我们日常飞行环境中的颠簸并不能对机翼造成损伤。

为什么翅膀的末端是竖起的？

早期我们飞机的机翼设计是大直板，现在我们看到飞机的机翼在末端竖起，有的甚至有一些很美的造型。这些设计仅仅是为了飞机的美观吗？当然，美是其中的一部分。这些设计被称为小翼。别看这个小翼。可以包含节约成本的大学题。

在飞机的平板机翼中，由于压力较高，来自机翼下表面的气流会流向上表面，从而在翼尖产生较大的涡流。随着飞机飞行速度的增加，漩涡的强度也会增加。这种旋涡能量很大，但对飞机的升力和推力没有帮助。反而会增加飞机的阻力和油耗。

▲没有小翼的机翼末端会产生较大的湍流。

众所周知，喷气燃料非常昂贵，增加1%的阻力会让飞机烧掉很多不必要的钱，于是人们开始研究解决这个旋涡问题。翼尖的早期概念是由一位英国空气动力学家在19世纪初提出的，但真正将其与飞机联系起来的是NASA(美国国家航空航天局空)的理查德·惠特科姆博士。

20世纪70年代末，NASA在一架KC-135飞机上安装了小翼，结果显示最大飞行高度提高了3.4%，升力系数提高了4.88%，巡航状态下升阻比提高了7.8%，航程提高了7.5%。这充分说明小翼的设计是有价值的。

▲有无翼梢小翼的涡流对比

但在短途航线上，小翼的作用还不够明显，因为它会给飞机带来额外的重量，而这些重量增加的油耗并不能抵消为减少阻力而节省的燃油量。所以在短途客机上，其实没必要装小翼。

现在很常见的几个小翼:

▼融合翼尖小翼

典型机型:波音737NG、波音757-200、波音767-300ER、空 ARJ21系列、空 A320neo、空 A330neo、空 A3550。

▼单段小翼

典型机型:波音747-400，空中型客车A330-200，空中型客车A340-300。

▼分叉翼尖小翼

典型机型:波音737NG和波音737MAX。

▼复合后掠涡流扩压器翼尖小翼

典型机型:空 Bus A319，空 Bus A320，空 Bus A380。

▼斜角翼尖小翼

典型飞机型号:波音747-8、波音767-400ER、波音777-200LR、波音777-300ER和波音787系列。

▼箱形或环形翼尖小翼

目前很少见到环形小翼作为盒形翼尖，主要见于一些商用飞机。

机翼下面的正方形是什么？

我们坐飞机的时候，总会发现飞机的机翼后面凸出几个方块，而且体积还不小。飞机越大，正方形越多。这些方块是什么？

这些方块的学名是襟翼滑轨整流罩，里面是襟翼传动装置。说白了就是用它里面的机械机构来控制襟翼的使用，襟翼的向下弯曲是由整流罩里面的机械来完成的。那么，什么是皮瓣？我们会在下面的提升力一节单独给大家介绍。

▲机翼下襟翼滑轨整流罩

▲放下襟翼，就能看到里面的机械结构。

▲冲压空燃气轮机

这时，出现了一个新的问题。为什么整流罩的大小和长度不同？这是因为它们并不都是操作襟翼的机械结构，但还有一个组件，叫做ram 空燃气轮机，在紧急情况下利用飞机自身速度产生的流体ram发电，有点像风力涡轮机。现在所有的民航客机都装有这种冲压发动机空燃气轮机。所有的波音飞机都是安装在靠近右主起落架的一个机舱内，而空飞机大部分都是设计在一个后缘襟翼滑轨的整流罩内，这也是为什么整流罩的大小和长度都不一样的原因，而且很多飞机的两侧似乎都是不对称的。

襟翼和前缘缝翼是做什么用的？

襟翼和前缘缝翼的作用很简单，就是用来提升飞机。一般在起飞、降落等低速时会放下襟翼。如果速度达到一定程度，襟翼会被迫放下，可能会造成解体。在起飞和着陆阶段放下襟翼时，整个机翼的面积(也就是机翼的宽度)会增大，机翼的弯曲角度也会增大，因为襟翼只能向下弯曲一定的角度。这样可以增加机翼上下表面的压力差，从而提高飞机的升力。但是为什么在起飞和着陆阶段需要放下襟翼来提高升力呢？原因很简单。这样可以改变飞机起降时所需的跑道滑行长度，一方面可以节省跑道空间和建设成本，另一方面也可以增加飞机起降的安全性。当然也有很多飞机没有襟翼，或者起飞时不放下襟翼。

▲向下倾斜的是飞机的襟翼。

当飞机向下襟翼时，机翼的宽度和曲率会增加，然后高速气流可能在机翼后缘附近的上表面分离，产生不规则的涡流，从而导致升力下降。这时，我们需要前缘缝翼的帮助。

▲前缘缝翼

缝翼的作用是把气流从机翼下表面引导到上表面，把刚才说的涡流吹走，保证机翼能提供足够的升力。

飞机上的这些“倒刺”是什么？

▲机翼上的那些“倒刺”

飞机机翼上有许多“倒钩”设计。这些东西的学名是放电刷。在大型客机上可以看到这种放电，比如机翼、小翼和尾翼。它的功能是放电。飞机高速飞行时，会与空气体发生摩擦，或者穿过带电的云层，或者内部机械摩擦产生的静电等。这些静电如果不及时释放，很可能会积累形成放电现象，对飞机的安全造成危害。刷机就是利用尖端放电的原理，让静电集中在这些尖端，然后和空气体接触，慢慢放电。

落地时什么东西翘起来了？

往往飞机落地后，除了明显的轰鸣声，我们还能看到飞机机翼上的一些板子翘起来。这些板的学名是地面扰流板，基本上在飞机着陆之前是不会抬起来的。

地面扰流板的作用很简单，就是抬起来改变机翼的气流，去掉飞机机翼的升力，增加阻力，和发动机推力、刹车一起帮助飞机快速减速。

扰流板不仅有一种，还有地面扰流板和飞行扰流板。地面扰流板只能在地面使用，飞行扰流板可以在地面使用，也可以在空中使用。在空中使用时，主要目的是增加阻力作为减速板，或者配合副翼进行侧向操作。

扰流板虽然功能不多，但却是减速的关键部分。目前，即使在先进的客机上，扰流板也是由机械结构操作，而不是电传结构。

飞机的内外副翼有什么区别？

飞机的副翼可以帮助飞机实现方向控制，当然方向控制也包括尾翼。现在客机的副翼一般分为内副翼和外副翼。顾名思义，外侧副翼设计在机翼的外端，内侧副翼设计在机身附近(图中标注清楚，比较典型)。

简单来说，低速飞行时用外侧副翼，高速飞行时用内侧副翼。因为高速飞行时，如果强行使用外侧副翼，外侧副翼会受损。所以此时外侧副翼一般锁定在中央位置。低速时气动效率比较低，要用外挂副翼来控制。此外，在高速时，有时只使用内副翼是不够的，还要使用扰流板辅助副翼滚转，分担载荷。

由于内副翼设计本身的位置就应该是襟翼，可以说襟翼是在内副翼中间断裂的，影响了飞机在起飞和降落时提供的升力性能。因此，其他装置设计，如喷气襟翼或前缘襟翼，将被添加到带有内副翼的飞机上。

▲襟副翼

现在的波音宽体飞机中也设计了襟副翼(如波音787)。襟副翼是襟翼和副翼的组合，如上图所示。它既是副翼又是襟翼。在起飞和着陆阶段，襟副翼充当襟翼来提升升力。在高速飞行时，它充当副翼。因为襟副翼离飞机机身更近，所以飞机翻滚时扭矩小，可以更精确的操作。

为什么发动机设计在这里？

我们可以看到，目前主流大型客机，尤其是宽体客机的发动机都是挂在机翼下面的，而且离机身很近。当然，大部分大型运输机也是如此。这样的发动机噪音离机舱内的乘客很近，很让人心烦。不能把发动机转移到尾翼或者机翼其他部位吗？

其实发动机的这个设计位置，是一代一代改进的最终结果。我们可以看到有些战斗机的发动机设计在飞机的尾部，实际上可以说是在飞机的机身内部。这是因为战斗机的发动机主要是为了优先性能，都是小涵道比的发动机。进气道和发动机加起来长度很大，可能占据战斗机机身长度的三分之二，所以只能放下这个位置。客机的发动机不一样，优先考虑的是经济性。毕竟是用来赚钱的交通工具。

客机的发动机放在靠近机身的机翼下面。一方面，机翼上方的气流不能被巨大的发动机阻挡，会影响提供给机翼的升力，所以发动机不能放在机翼上方。

▲机翼的角度会随着高度而变化。

另一方面，发动机不能放在远离机身的机翼上。正因为如此，增加了对机翼结构强度的要求，增加了飞机的整体重量，并且影响了经济性。此外，机翼末端的设计会导致发动机稳定性和效率的下降，因为飞机在不同高度时，机翼的角度会发生变化(机翼在空中不是静止的，而是会随着高度的变化而发生一定角度的变化)。

发动机悬挂在机翼靠近机身的部分，可以抵消较长机翼产生的一部分力矩。重量分布均匀也能让飞机和发动机工作更稳定。而且客机的油箱都设计在机翼里，这样发动机输油的效率会更高。此外，发动机前部不受机翼或其他物体的阻挡和影响，进气效率更高、更稳定，提高了发动机的工作效率。我们可以看到，发动机前端一般比机翼更突出，因为这样会避免前缘缝翼和前缘襟翼的影响。

▲麦道等品牌的飞机在尾部设计发动机。

有人说一些麦道客机或者一些商用飞机的发动机都是设计在机身后部，也就是靠近尾翼的位置。大型宽体客机为什么不这样设计？之前有空落地难的例子。可能是这件事让设计师更加谨慎，改变了发动机的位置。1991年，斯堪的纳维亚航空公司空751航班的麦道MD-81在机翼上的冰脱落后被吸入发动机，导致两个发动机同时失效。所幸飞行员迫降，无人伤亡。所以发动机放在机翼后面，不仅会受到机翼气流的影响，还会有其他问题。

所以这个位置的发动机是最安全、最稳定、最经济的优化结果。如果要设计一个新的位置，就要重新研究设计很多飞机外形的结构，费时费力，没有一个设计师或者制造商愿意这么做。

除了机翼，飞机上的复杂结构种类太多，涉及到很多设计知识。飞机是人类知识和技术的结晶，是一个高度集成的复杂系统。民航空发展到今天，飞机已经成为人类最重要的交通工具之一，使得人们的出行更加便捷，乘坐飞机成为大众的普遍选择。

来源:天妃众智科技服务平台

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