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飛機為什麼會飛?-《機艙機密》

Airplane, PanSci

入門問題:首先,飛機這麼大一架,又載著這麼多旅客跟貨物,要怎麼在空中飛行呢?

沒錯,這就是門外漢對飛機最好奇的重點了。能讓一架重達好幾千磅的機器順利升空,就算稱不上奇蹟,至少也是一項了不起的成就。其實飛機起飛的原理相當基本,也很容易示範操作。下次在高速公路上開著豐田汽車的時候,將你的手臂伸出窗外,與車身垂直、與地面平行,再稍微將手臂向上彎曲,逆風前進,接下來會發生什麼事呢?你已經打造了一對機翼,而你的手臂就在「飛行」了。只要將手臂一直彎在適當的角度,並維持夠快的車速,你就會持續飛行。因為氣流將你往上托,你才能飛得起來,飛機也是這麼一回事。當然,你的車子並沒有真的飛向天際,不過還是請想像一下你有一雙超大的手,汽車也有足夠的馬力能開得非常快。飛行時有四個作用力,若要成功飛翔,作用力之間必須達到正確的差值:推力大於阻力、升力大於重力,或是像奧維爾.萊特所說的:「飛機之所以持續飛行,是因為它沒空往下墜。」

在飛行基礎課程也有介紹所謂的白努利原理,這個原理以丹尼爾.白努利命名。他是一位十八世紀的瑞士數學家,而且從來沒見過飛機。這個原理表示,液體被迫流經狹窄的通道或是彎曲的表面時,流速會增加,壓力會同時降低。在飛機的情境之下,原理中的流體就是空氣,因為機翼上方為弧形(因此氣體壓力較小),所以流經機翼上方的速度較快,因此產生了向上的升力,也可以說機翼浮在一個高壓的緩衝墊上。

白努利、機翼,PanSci

一定會有人怪我把飛機的原理講得如此簡略,但這真的是飛行的主要原理:白努利提出的差壓理論,還有將手伸出車窗,使空氣分子偏向這種非常基本的操作,都能解釋飛行當中不可或缺的元素:升力。沒有升力的情況就是失速。這個簡單的概念同樣也能用高速公路的情境來模擬:將手臂彎曲的角度扳得再陡一些,或是將車速減低到某個程度,手臂就停止飛翔了。

多看了一眼機翼的細節之後,飛機的運作好像更複雜。

沒錯。你的手臂確實能飛—真的,如果下方供應足夠的氣流,磚塊也飛得起來—只可惜飛行並不是手臂的專長。噴射客機的機翼必須非常善於飛行。飛機在巡航期間,機翼的節能效果最為理想,而這種情況通常發生在很高的高空,對多數飛機來說沒有音障的情況下。但是,飛機在低空飛行以及低速的情況下仍須顧及效率,這就是工程師還有風洞必須解決的問題。整個機翼的橫側面,氣流環繞起作用的地方,就稱為翼切面。翼切面的結構製作精細,從翼剖面以及翼展向來看,整個機翼的形狀厚度,從前端到後方、從翼根到翼尖都各有變化,這些變化是依據空氣動力學的計算,是一個你跟我都無法完全理解的專業領域。

機翼裝載了一系列額外的構造,像是襟翼、前緣縫翼,還有。襟翼往後方及下方延伸,讓翼切面更加彎曲,藉以保持低速飛行的安全及穩定度(雖然實際調整的細節視情況而定,不過民航客機起降的時候都會延展襟翼)。機翼內側及外側皆有小單位的襟翼組合,它們之間水平分層。前緣縫翼位在機翼的前端,能夠向前開展,作用與襟翼相同。擾流板則是一塊立在機翼上方的長方形板子,站立於機翼的擾流板能干擾通過機翼的氣流,破壞升力的同時,增加大量的阻力。飛行過程中,擾流板用來提升下降率;著陸時則是能協助減速。

擾流板,泛科學

一架波音737-800透過升起擾流板、增加阻力,下降飛行高度。Source: wiki/Jg4817

我頭幾次搭飛機的時候,有一次坐在一架727靠窗的位子,正好在機翼後方,我就親眼目睹飛機下降時,整個機翼看似分解的過程。看著大型的三開縫式襟翼往下開展、擾流板起伏波動,還有前緣縫翼向下移動到作業位置。神奇的是,你幾乎可以直接看到機翼的核心,就像是目光貫穿動物遺骸的骨架一樣,地面的房子、樹木都紛紛從機翼開展的縫隙中顯露出來。

你或許有注意到噴射客機的機翼是向後彎曲的後掠翼。機翼畫過天際時,空氣分子會加速通過機翼的弧線,當速度提升到與音速相同時,會有一股震波沿著機翼表面形成,就有可能會減低升力。所以將機翼向後伸展便能引導出一個更合適、更符合機翼展向的流場。在飛行速度較快的飛機上,機翼的掠角會大於四十度,速度最慢的飛機機翼則是幾乎完全垂直機身。機翼從翼根開始往上翹,能夠抵銷飛機橫向滾轉或偏離的傾向,這種傾向則稱為偏航。這種機翼上翹的情況稱之為上反角,從機頭向後看能看得最清楚。蘇聯有一款飛機則正好相反,該飛機運用反向的設計,稱為下反角,讓機翼向下傾斜。

後掠翼飛機,PanSci

後掠翼飛機。Source: wiki

機翼是飛機的一切。機翼對飛機的重要程度,就如同汽車底盤之於汽車,或是車架之於腳踏車一樣。大型機翼能提供大量的升力,波音所有機型中最重的一款是747,747將近有一百萬磅重,足夠的升力便能在速度達到一百七十節的時候讓它起飛。

(好人)機艙機密,PanSci

本文摘自《機艙機密:關於空中旅行,你該知道的事實》,由好人出版 出版。

 

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