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有航空爱好者提问：请谈谈发动机翼吊和尾吊布局的比较?这个问题，在“运10”初步设计时我们曾经反复研究过，并且对两种布局都进行过风洞试验，也建造过一比一尺寸的木质样机进行过比较。现将客机发动机几种布局的优缺点比较如下。 1970年8月，国家正式下达研制我国大型喷气客机“运10”的任务。当时，世界上已经有四个国家推出了喷气式旅客机，即英国、苏联、美国和法国。在我国“运10”飞机总体设计的初期，我们首先将其他国家已有的喷气技术纳入视野，研究不同的技术手段的优缺点，从而决定“运10”将采用什么样的形式。其中最突出的一个布局问题，就是决定发动机在飞机上的安装位置。当时发动机安装的位置，分别有翼根、尾吊和翼吊三大类。 翼根布局首先淘汰出局 在喷气式客机的发展上，首先出现的是英国的“彗星号”。它的发动机是安置在机翼根部。在其后苏联研制的“图－104”飞机，也将双发安装在机翼根部的短舱内。 尽管“翼根布局”是最早出现的方式，但从技术方面并没有显示出突出的优势和最佳效果，而恰恰暴露出它的缺点，即发动机的喷流靠近机身，这样不但会加热附近的结构部件，而且其噪声也会冲击气密客舱的舱壁，使坐在发动机喷口附近的旅客，难以承受高强度的噪声冲击。噪声；中击还会使气密客舱的舱壁结构产生“声震疲劳”。历史上曾经连续有几架英国“彗星号”，就是因容舱的结构发生疲劳断裂而坠入地中海。 此外，“翼根布局”还会因发动机的安装打断了机翼主梁的传力路线，使受力系统的设计变得复杂，加大了机翼根部的结构重量。除此之外，由于发动机安装在机翼结构之内，从而使维护发动机的通路不开敞、可接近度低，增加了对发动机维修的难度等。 “彗星号”连续失事的教训影响巨大，震动了世界航空业。从此，开创了客舱设计中如何防止疲劳设计的大课题。故此，在“运10”的概念设计阶段，对发动机的翼根安排，尤其慎之又慎，经过技术分析后决定不采用翼根布局的形式。从那时以后近40年来，世界其它型号的客机也都没有再采用这种翼根布局。 所以，尽管翼根式布局是喷气客机历史上最早出现的布局，但在“运10”的概念设计阶段是最早被淘汰出局的。(附注：翼根安排对民用客机的设计是不利的。但是，自从军用飞机“隐身技术”成为主导的要求以来，为了消除发动机短舱对雷达波的反射，一些新型的军用机又开始将发动机安装在飞机机体结构以内。因此，我们对事物的优缺点分析，要针对具体需要而定，不能以绝对化的观点看待一切。) 尾吊布局适于中小型 在国产“运10”的设计中，尾吊布局是首先认真研究过的方案。 客机的发动机采用尾吊式布局，这在20世纪50年代末首先应用于法国的“快帆号”客机上。 这种将发动机短舱安装在机身后部两侧的布局，有两个很直观的优点。第一，这是一种“干净机翼”的设计。发动机的位置在机翼后，因此短舱的进气、喷气，以及外形的干扰都对机翼上的气流影响较小，机翼可以比较单纯地按空气动力学需要来设计。第二，装在机身两侧的发动机的推力线接近飞机的对称轴线。在单台发动机停车的情况下，继续工作的发动机的推力对飞机产生的不对称偏航力矩较小。 “运10”对尾吊布局首先作出了初步设计，制作出模型，进行了风洞试验，还制造了一比一的全机木质样机。 我们在设计运10飞机时，我国已经引进了几种尾吊式布局的飞机。对此，我们分析了各国飞机的优缺点，而这些飞机的设计和使用特点是运10设计者必须研究的。通过研究揭示出以下几点情况： ●“三叉戟”低空的不安全隐患 英国的“三叉戟”在尾部装了三台发动机。这种飞机遇到改出“深失速”的安全问题。由于发动机舱在后部，所以飞机的水平尾翼必须提高位置以离开发动机喷流的影响。这样，当飞机处于大迎角状态进入失速时，驾驶员必须有效地操纵平尾使机头向下减小迎角。而大迎角姿态下，高平尾却处在机翼的尾流遮蔽区，尾翼的效力降低，驾驶员很难使飞机恢复到安全姿态。为此，英国的“三叉戟”在驾驶舱内的驾驶盘下方安装了一个“强制推杆”装置，当飞机的迎角大到接近失速时，会将自动驾驶盘向前猛推，从而使飞机的迎角急剧减小进入俯冲。 可是，飞机处在大迎角状态时，一般正是刚起飞离地、或即将落地的低空。这时用自动装置猛然推杆，虽然避免了机翼进入失速的危险，但飞机在低空霎问进入俯冲会带来另外一种不安全。而安全问题，是客机设计必须考虑的首要问题，“运10”的设计不应在类似问题上冒险。 ●水箱、尾撑以防机头上翘 苏联的“伊尔－62”是我国当时引进的另一种尾吊式布局的机型，它的四台发动机吊装在机身尾部。 从外观上初看，发动机短舱前面是进气口，后端是喷口，给人一种错觉，感觉短舱只是一个内装空气的空筒，可以任意安装在飞机上的某一个位置，对全机没有大的影响。实际上发动机很重，在飞机的全机重量分布中，发动机短舱的位置是一个影响全机配平的沉重砝码。 “伊尔－62”飞机将四台发动机都装在尾部，为了维持飞行中全机的重心，飞机尾部的重量要靠机身前舱的旅客和货舱的装载来平衡。这样，给旅客坐位的调配和货物安排带来麻烦。当某些航班旅客较少时，或者在不载旅客空机转场的时候，飞机会由于严重“尾重”而不能飞行。所以，这种飞机在前机身特地设计了配重用的水箱。当重心调不过来时，需要灌几吨水来压住机头。此外，飞机到达目的地，旅客离机后会自动使前机身配重功能消失。为此，这种飞机又特地在机尾设计了一种尾撑杆。当飞机落地后，要由工作人员取出撑杆来撑住机尾，以防重心后移使飞机像幼儿园的翘翘板似的突然上翘、机头指向天空。这种飞机的全机重量配置不理想，使飞机的使用相当不便， “运10”的设计人员经过反复比较，分析“运10”尾吊方案的风洞试验，以及对全机一比一木质样机的总体布置研究后，发现尾吊式布局也不适于“运10”飞机。 从那时至今约40年中，有更多的尾吊式飞机进入我国。主要都是较小的机型，有载客10人左右的公务机、以及载客数十人的支线客机。 中、小型客机飞机体型较小，机体离地较近，在机翼下吊装发动机的空间不够，如挤进去装上发动机，则进气口离地面太近，在地面开车时容易从地面吸进异物打坏发动机。因此，公务机及支线客机都使用尾吊式布局，因为尾吊发动机的进气口位置离地较高。 但尾吊式的布局不适用于较大型的干线客机。 在20世纪的最后20年中，我国进口的尾吊式客机只有一种是载客150人的干线飞机，就是麦道“MD-82”，上个世纪80年代该机曾在我国进行总装。 ●遭到废弃的畸形机身“甬道效应” “MD-82”的原型是来自于大约40年 前的中型飞机DC-9。后来航空运输对载客量要求越来越大，美国麦道公司便在DC-9的基础上，保持原来的尾吊布局，和每排5座的小直径机舱，依靠不断拉长前机身的长度，发展成“MD-80”系列的干线客机。然而这种具有超长的“铅笔型”畸形前机身的飞机，带来了每次飞行安排旅客坐位配置的极为不便。旅客反映：坐在狭窄而细长的机舱内，有一种像坐在一根管子中那样不舒适的“甬道感”。 在客机市场的激烈竞争中，美国麦道公司用这样的尾吊布局苦苦挣扎了30多年，终于在上个世纪90年代被波音公司兼并，在干线客机领域被淘汰出局。“MD-82”系列在干线飞机上使用尾吊式布局最终是失败的。我国引入的生产线同时遭到废弃。 “翼吊布局”干线飞机的主流 “运10”最后选择了“翼吊”布局。一段时期内，一些人认为“运10”采用的是“美式”飞机布局，从而经常发出谴责。但到了21世纪，人们看到，翼吊布局已经成为美国、欧洲空客、俄罗斯各国大型客机所共同采用的主流布局。并且，至少在21世纪前10年，我们看到尚在研制的新型飞机空客“A380”和“波音787”仍然采用这种布局。 这种发动机布局，最初出现在美国波音公司研制的第一种喷气式轰炸机B-47上。 还是在1943年，波音公司应美国空军要求，研究装多台喷气发动机的轰炸机，即XB-47。设计师们先后提出过几种研究方案。最初424号方案实际上就是B-29螺旋桨轰炸机的缩小版，只是在翼下成对地挂上四台喷气发动机。这是最早提出翼下吊发动机的设想。但是风洞试验的结果证明，这个方案主要是由于机翼的阻力降不下来而没有成功。 波音公司开始寻找其它形式的发动机布局来增进机翼效率。432号方案是将四台发动机全部装在机体内。1945年，美国得知德国在二战期间对后掠机翼的研究之后，将XB-47转向后掠翼，形成了448号方案，它的机翼1／4弦线后掠35度。 美国迅速进行了新的风洞试验，证实了后掠机翼的效能。但是空军出于安全性和生存性的考虑，反对将四台发动机安装在机体内部。这样便导致了6台发动机外挂在机翼下的450号方案的推出。美国空军在1945年10月批准了这个方案。这是翼吊发动机布局的飞机正式出现。 B-47取得巨大的成功。以后这种发动机安装型式被后续的B-52所继承，并被随后研制的大型喷气客机“波音707”所沿用。 这种布局主要有以下优点： 1、由于发动机重量在全机重心附近，从而减小了全机重量配平的困难。 在全机的重心配置上，发动机作为可观的重量砝码，吊在机翼下在飞机的纵向位置上正好处于飞机的重心附近。因此，不需要用旅客的重量来平衡发动机的死重(指每次飞行不变化的重量项目)，客舱可以在飞机重心前后对称地安排，客舱“空载”与“满载”时的重心变化也不会很大。 2、发动机重量对机翼有减载作用，可减轻结构重量。 飞机的机翼在飞行中是产生升力的，通常机翼根部是飞机强度设计中的关键部位。发动机装在机翼下，发动机的重量对机翼的根部弯矩有减载作用，减轻了结构重量。而发动机安装在吊挂上向前伸出通过机翼中性轴的前方，对防止机翼的颤震也是有利的，可以减小为防颤震而安装的配重重量。 3、“有利干扰”，有助于减低阻力。 发动机吊在机翼前下方，对机翼上的气流产生影响。但空气动力学的研究表明，如果安排得好，这种影响可以成为“有利干扰”，即机翼与发动机短舱结合后的总阻力，反而比机翼和短舱单独阻力之和要小。 4、发动机的进气和喷流远离机体。 发动机的进气道和排气管都较短，进气口接纳的是自由气流，可以最好地利用气流能量(而尾吊的发动机接受的是受机翼干扰后的气流)。翼吊式的喷流也远离飞机机体，不会对机体结构产生高温培烤、气流冲刷或噪声轰击。 翼吊发动机的设计问题，在于发动机离地面较低，需要注意防止发动机进气口在地面开车时吸入地面杂物。此外，为了使发动机进气口的下缘距离地面一段安全距离，翼吊发动机布局不得不将机翼做成上反角。但后掠机翼本身就已经具有很强的“上反效应”。这样一来，上反的后掠翼要求有很大的垂直尾翼，才能得到合适的横侧安定性的匹配。为避免这一点，从第一架成功的喷气客机“波音707”起，就开始装有自动器“偏航阻尼器”来获得满意的安定性，而不能将垂直尾翼做得过大。 这个办法已经为多种飞机所采用。故此，上反的后掠翼上采用翼吊发动机到今天已经成为世界大型客机通用的布局方式。这也正是38年前我国“运10”飞机所采用的布局形式。 责任编辑：京勉 |
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