问题

为什么大型运输机的机翼都是向下耷拉的?

回答
你说的“向下耷拉”的机翼,其实是现代大型运输机设计中一个非常普遍且重要的特征,它有一个更专业的术语叫做“机翼下反角”(Dihedral)。但要注意,大多数时候我们说的下反角是正下反角(Positive Dihedral),意思就是从翼根到翼尖,机翼是往下倾斜的。

之所以你会觉得它们“向下耷拉”,是因为相比于很多小型飞机或者高性能战斗机,大型运输机的机翼下反角度通常比较小,或者有些甚至根本没有明显的下反。但是,即使是很小的下反角,在视觉上也会产生一种向下倾斜的感觉,尤其是在飞机停在地面上的时候。

那么,为什么要设计成这样呢?这背后涉及到非常精妙的空气动力学和结构力学考虑。最主要的原因是为了提高飞机的稳定性,特别是“横向稳定性”。

让我来给你详细拆解一下:

1. 什么是横向稳定性?

想象一下飞机在空中飞行,如果飞机突然受到一阵侧风的扰动,导致机身向一侧倾斜(也就是绕着飞机纵轴滚转),那么横向稳定性好的飞机,能够自己主动地恢复到水平飞行状态,而不需要飞行员进行大幅度的修正。反之,如果横向稳定性不好,飞机可能会持续倾斜,甚至进入失控状态。

2. 机翼下反角如何提供横向稳定性?

这个原理有点像你平时在路上骑自行车。

没有下反角(机翼水平): 如果飞机机翼是完全水平的,当它发生倾斜时,重心和升力中心的位置关系并没有发生太大变化,不足以产生一个将飞机拉回水平状态的恢复力矩。
有下反角(机翼向下倾斜): 当飞机机翼设计成有下反角时,情况就不同了。
当飞机向左倾斜时: 飞机的左翼会变得更接近水平,而右翼则会更加倾斜。由于机翼下反,倾斜的右翼会产生一个比左翼更大的侧向升力(相对飞机来说是向左的力)。这个侧向升力作用在机翼的翼尖附近,而飞机的重心通常位于机翼翼根附近。这就形成了一个恢复力矩,就像你骑自行车不小心歪倒了一点,车把自然会向歪倒的方向转动,帮助你重新找平衡一样,这个力矩会把飞机往回拉,让它恢复到水平飞行状态。
当飞机向右倾斜时: 情况正好相反,左翼会倾斜得更厉害,产生一个更大的侧向升力(相对飞机来说是向右的),同样会产生一个将飞机拉回水平状态的恢复力矩。

所以,机翼下反角就像一个内置的“自动稳定器”,能够帮助飞机抵抗倾斜,提高其横向稳定性。

3. 为什么大型运输机反而会有比较小的下反角,甚至有些没有?

你观察得非常敏锐!确实,很多大型运输机的机翼下反角并不像一些小型飞机那样明显。这背后有几个原因:

大型运输机的设计目标: 大型运输机的设计目标是高效地运载大量货物或乘客,追求燃油经济性、载荷能力和巡航效率。它们通常在平稳的大气层中长途飞行,对瞬时的高机动性要求不高。
大展弦比机翼的自身稳定性: 现代大型运输机普遍采用大展弦比机翼(就是机翼又长又窄)。这种机翼本身就具有相当好的横向稳定性。长而窄的机翼在产生升力的同时,其结构也更能抵抗因下反角产生的应力集中。即使下反角很小,甚至为零,大展弦比机翼也能在一定程度上提供足够的横向稳定性。
结构和载荷的考虑: 大型运输机的机翼非常巨大,承载着巨大的重量。如果设计过大的下反角,会对机翼结构带来更大的应力,需要更坚固(也就更重)的材料来支撑。在满足稳定性的前提下,尽量减小下反角,可以减轻机翼的结构重量,这对提高载荷能力和燃油效率至关重要。
其他稳定措施: 飞行控制系统(如自动驾驶仪)可以通过调整副翼等操纵面来提供额外的横向稳定性。同时,垂尾(飞机尾巴上的那个竖起来的翼面)和腹鳍(有时会出现在机翼下方)等其他部件的设计,也对飞机的整体稳定性有贡献,可以弥补机翼下反角不足的影响。
飞机的配置: 很多大型运输机,如波音747、777、787,空客A330、A340、A350等,它们的机翼在翼根处往往是向上倾斜的(叫做上反角,Negative Dihedral,或者更精确地说是“翼尖相对于翼根高”),这是为了安装机翼上的大型引擎。但从整体的空气动力学效果来说,如果从翼尖到翼尖的连线来看,可能仍然会有一个微小的整体下反趋势,或者通过机翼剖面的设计来达到类似效果。而像波音707、727等早期飞机,或者一些军用运输机(如C130大力神),你可能会看到更明显、更易于观察到的下反角。

总结一下:

大型运输机机翼的“向下耷拉”(下反角)主要是为了增强飞机的横向稳定性,让飞机在受到侧风等扰动时能自行恢复水平。它通过改变倾斜时两侧机翼产生的侧向升力,形成一个恢复力矩。

然而,现代大型运输机由于采用了大展弦比机翼、更注重结构减重以提高效率,并且可以通过其他气动布局和飞行控制系统来辅助稳定性,因此它们的机翼下反角通常比较小,或者设计上更为复杂。有些时候,看起来像是平直的机翼,实际上也可能因为翼尖引擎的安装而带有轻微的上反趋势,或者只是下反角非常不明显。你观察到的“向下耷拉”感,正是这种精妙平衡的结果。

网友意见

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这个问题牵涉到飞机滚转的稳定性。所谓滚转就是飞机沿纵轴转动,比如左翼降低右翼升高。所谓滚转的稳定性是指飞机有一个小的滚转角度时能不能自己滚回来,回到平飞的位置。

“上单翼”和“上反角”是增强滚转稳定性的两种方法——他们能帮助飞机自己滚回来。

上单翼的原理是使得重心较低,升力与重力的合力矩能够让飞机滚回水平位置。

上单翼类似于这样(吊环相当于机翼,提供向上的拉力/升力,运动员相当于机身,受到重力):

于是不需要花很大力气保持平衡,就算你偏离平衡位置,重力会把你拉回来。

下单翼使得你的重心比较高,类似于这样:

你需要掌握好平衡,否则会被重力拉掉下来。

[注:接受评论中

@Thinkraft

的建议改为上图,修改前用图为:

pic3.zhimg.com/e5346492

]


上反角的原理是使得较低一侧的机翼产生较大升力,从而把飞机推回来。

[更正:下图对上反角原理的解释并不准确,已得到

@III HAyAs

指出,建议阅读

为什么大型运输机的机翼都是向下耷拉的? - III HAyAs 的回答

来详细了解上反角。]


所以呢,几乎所有的(非战斗)下单翼飞机机翼都是有上反角的,否则它们将难以维持滚转稳定。例如Piper Cherokee

而上单翼飞机由于上单翼本身可以提供稳定性,只需要较小的上反角或者不需要。

例如Cessna 152

对于大型上单翼运输机来说,因为他们的上单翼+自重本身就能提供富余的稳定性,因而需要一定的下反角来减少稳定性,以增加灵活性——飞机太稳定的话你让它滚它不滚,这也不好。所以会有题主贴的图中向下耷拉的机翼。


战斗机上他们一般就不考虑这些啦,为了灵活性机动性,战斗机被设计成不稳定的,而借助电脑来控制飞行姿态。

它们本质上是这样飞的


“上单翼需要下反角”和“上单翼+下反角使得飞机具有稳定性”的说法是不准确的。因为上单翼增加稳定性,下反角减小稳定性。飞机采取什么样的设计,正如

为什么大型运输机的机翼都是向下耷拉的? - 王弈为的回答

所说:

是在飞机的稳定和灵活中两个特性中,取最优值。

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