【科技前沿】飞机机翼现逆天弯曲，复合材料究竟有什么“魔力”？

来源：中国复合材料学会

飞机在进行静力试验时，被“五花大绑”固定起来。其中，机翼部分会根据试验设计要求被钢缆吊着上下摆动。

前段时间，有一张A350XWB机翼静力试验的动图，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：飞机机翼到底能弯曲到什么程度？

“塑料”飞机为“逆天”变形提供可能

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。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。

复合材料究竟有什么“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。

变形有好处也有麻烦

机翼较大弯曲变形对飞机有什么影响呢？最直接的影响就是飞机的气动性能了。如果设计师在此基础上进行针对性设计，可实现更高速、更环保、更高效、更节俭的目的。波音787在此基础上采用了前瞻性的空气动力技术，比如可变翼腔技术、层流型短舱技术、平滑机翼技术等。这些技术让飞机在巡航飞行中，能够持续优化翼型和效率，从而降低油耗和成本。在空客官网对A350介绍中也提到：“A350XWB飞机采用了最新的气动外形、最好的设计理念和最先进的技术，燃油效率较同级别远程竞争机型提高了25%。”

不过，必须承认的是，机翼较大的弯曲变形为某些功能性设计带来不便，比如密封设计、管路布线、机构协调等。这是因为机翼弯曲变形会放大结构间隙，对密封结构构型、密封材料选择等提出了更高要求。同样，内部管路布线和机构协调要考虑机翼弯曲变形程度，保证在机翼弯曲变形时能够满足功能性要求。

安全性能优先保障

对飞机而言，安全性是永恒的主题，当看到机翼“逆天”弯曲变形之后，不少人会对飞机的安全性提出质疑，会担心这样会不会把机翼折断。对此也不必过于担忧。

飞机在设计时是按照极限载荷设计的，而所谓极限载荷是飞机在使用寿命期间所承受的最大载荷放大1.5倍得到的，并留有一定的安全裕度。事实上，每一型飞机在交付之前都经过了整机的静力和疲劳损伤容限试验验证，而试验所用载荷也为极限载荷。不仅如此，在验证过程中还综合考虑了飞机遇到的各种载荷工况。因此在如此严苛的设计和试验验证前提下，飞机的安全性是毋庸置疑的。

此外，文章开头所描述的“逆天”弯曲变形在乘客乘坐飞机飞行过程中并不会出现，仅存在于试验环节。

综合飞机遇到的各种机动飞行动作和气动载荷，机翼受到最严重的向上载荷工况为2.5g正过载（即飞机升力为重力加速度的2.5倍），此时飞机会产生服役过程中的最大弯曲变形。

上面提到，试验载荷为极限载荷，对应最严重向上载荷工况（2.5g过载）的1.5倍，此时飞机机翼会产生“逆天”弯曲变形。因此已经交给航空公司运营的飞机在日常情况下，其机翼最大弯曲变形比试验载荷下的变形要小得多。飞机受到最大向上载荷，需要同时满足飞机以最大商载、最大起飞重量起飞，特定的飞机速度，并且遇到连续突风等严酷的自然环境状况等一系列条件才能出现，并不是飞机飞行过程中的常态。

但即使偶有发生，经过了上述极限载荷的试验验证，你还担心机翼会折断吗？

 文章来源：化工新材料网

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