九个问题告诉你世界最大客机空中客车A380制霸天空的秘密

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九个问题告诉你世界最大客机空中客车A380制霸天空的秘密       2015-01-15       乔善勋           航佳技术

在广大飞友的眼中波音747牢牢占据着“空中巨无霸”的称号，在垄断全球四发宽体客机四十余年之后，终于迎来重量级对手——空中客车A380。2005年4月27日搭载罗·罗的遄达发动机首飞之后，两架巨型的客机制造商终于在超大型客机的市场短兵相接。下面就跟随我来了解全球最大的客机是如何建造的，它背后又是如何的故事？



  

A380首个交付用户：新加坡航空公司

1、飞机究竟有多大？

我们以A380-800为例，飞机全长72.7米，翼展79.8米，高24.1米。最多的座舱布局可达853个座位，比排名第二的飞机多出35%，即使是经典的三舱布局也能达到550个座位的双层超级喷气客机。这么一个庞然大物当如也需要足够的升力才能托起560吨的A380，所以它也身负一对巨大的“翅膀”。它有多大？它的一片机翼就可以存放70辆家用轿车。但过长的机翼也给制造商带来很多技术上的难题，如果按照基础的设计，它的机翼比这还要长，超出了很多机场的降落标准。国际间对飞机的最大体积做了限制，以免飞机在机场内滑行的生活发生剐蹭事件。机翼的长度被限定在了80米，A380的设计长度必须小于这个数值，还要提供足够的升力，空中客车的设计是借助仿生学完成了这个难题。

2、普通的机翼在A380上为何不适用？

让我们先来了解一下传统机翼如何产生升力，位于金斯敦大学( kingston university )的风洞实验让我们更加直观的看到了升力的“样子”。航空工程师巴林顿博士介绍，截面迫使机翼周围的气流弯转，机翼可使起上方气流的流动速度快于下方气流的速度，所以机翼上方的空气流动速度比下方的空气快，因此机翼上方的空气气压低于正常值，机翼下方的较高气压会将机翼向上推（图1），从而托起整个飞机。但是传统的机翼也有个比较大的缺陷：气流通过翼尖的时候并不是很顺畅，会产生螺旋状的旋转空气，被称之为翼尖涡流（Wingtip vortex）（图2）。机翼下方的高压空气从翼尖四周向上跑，然后将机翼表面向下压，相当于机翼最后5%的长度完全没有利用上，出现的涡流表示翼尖并未提供升力。

A380的原型机在通过有照明的烟雾中时，翼尖会产生巨大的涡旋（图3）。为了补偿飞机丧失的升力，A380的机翼必须变得更长，这严重超出了机场对机翼长度的上限。空客的工程师们把目光转向了大自然的杰作——草原雕。

   

图1：气流穿过机翼模型，机翼下方的较高气压会将机翼向上推

  

图2：翼尖螺旋状的翼尖涡流

  

图3：A380原型机通过烟雾时能看到巨大的涡旋产生

3、A380的老师为何是草原雕？

这种雕因为生长在辽阔的中原草原上被命名为草原雕，要有热流（热流：宽度约为20米的上升暖气流）的存在他才能在草原上展翅翱翔。和A380的境遇相同的是草原雕的翅膀也不能太长，否则在它盘旋的时候会飞离热流。草原雕的翅膀经过千百年的进化，早已适应了草原的环境，它们的翅膀能以最短的长度提供最大的升力。牛津大学的动物学家泰勒采用微型摄像机绑在草原雕的背上，让我们得以观察到它神奇的样子——草原雕居然可以控制翅膀末端的羽毛！为了制造最大升力，它将自己翅膀末端的羽毛向上弯曲，达到和翅膀接近垂直的状态，借此扰乱了翼尖涡流，大幅提升自己的飞行效率。草原雕利用翅膀末端的羽毛形成了所谓的翼翘，这项天赋的“特权”草原雕即使是较短的翅膀也能在草原自由翱翔。

  

图4：飞行中的草原雕可以控制翼端的羽毛

4、A380的翼尖有何特点？

有了大自然这个优秀的老师，空客的工程师们该把这项技术应用到A380身上了。通过风洞实验我们得知传统的机翼饱受翼尖涡流之苦，工程师决定打造一个类似于草原雕翼尖羽毛的装置——翼翘。通过实验我们可以清晰的看到整个机翼周围的气流通过非常的通畅，在翼尖出也并未出现翼尖涡流的现象（图5），围绕着翼尖产生的漩涡消失了，翼翘的存在成为了阻挡气流旋转的屏障。涡旋被引导到翼尖处的翼翘顶部分离（图：6），此时原型机翼的整个表面都可以产生有利的升力，效率同较长的机翼相同。而将翼翘做成近乎垂直的形状，便可将翼展的总长度缩到最短的距离（图7）。草原雕的翅膀挽救了“巨无霸”，使得A380计划得以顺利进行。

  

图5：加装了翼翘的飞机模型，并没有出现翼尖涡流   

  

图6：涡旋被引导到翼尖处的翼翘顶部分离  

  

图7：A380的翼翘

5、A380和元代的蒙古弓有何关系？

机翼的问题解决之后，A380的工程师团队还需面对另外一个问题：如何降低这个巨无霸的运营成本？航空运输业是一个充分竞争的市场，额外的重量都会导致更多的燃油支出，所以A380的整备质量得到严格控制。A380的蒙皮面积达到惊人的3千平方米，工程师不得不在轻量化和结构强度间寻找某种平衡。这次工程师的灵感把我们引入了来自远古冷兵器时代的蒙古弓。这次的实验场地位于英格兰都公布的废弃空军基地里，用来实验轻质和高强度的太空材料。工程师们找来了大炮和鸡，类似于测试风扇叶片的程序。
航空界经常使用“飞鸡”大炮（图8）用来模拟飞鸡起飞时遭受高速飞行中的鸟撞击后的情形。这项重要的实验可以测试飞机外部蒙皮的强度，飞机在万米高空一旦发生机身破损，就会导致机舱内爆炸型减压的后果。遭受鸟类的撞击后会导致机翼严重受损，进而导致飞机失控。工程师将“飞鸡”大炮发射速度设定为A380的起飞速度——290公里每小时。经受过“飞鸡”撞击过得铝板样本没有破损，仅有些许的变形。但是这个铝板样本过于厚重，工程师决定实验0.9mm厚的轻质铝板，结果惨不忍睹，被高速的“飞鸡”炮弹瞬间洞穿（图10）。实验证明铝板越薄，承受力就越差。薄款铝板虽然刚性足够做客机外层蒙皮，但强度不足以承受物体的高速撞击。空客的工程师决定采用新型材料来解决这个问题，蒙古人一统天下的武器长弓又重出江湖了。

在公元12世纪的时候，一块木头制成的长弓是一款十分强大的武器。木头也必须能够承受人体对它施加巨大的力，拉弓的时候，弓的外部会伸展变长，内部则会受挤压而变短（图11），所以，弓必须要能同时承受两股不同的力量。较短的弓须承受的弯力较大，但木头的强度却不够，很容易便会被折断。因此蒙古人决定用两种不同特性的材质来打造性能更强的弓，分别取材于坚固的水牛角和极富弹性的鹿后腿腱（一种连接肌肉和骨骼的由结缔组织所构成的纤维束或膜）。将鹿腱绑在弓背上，然后把牛角片贴在弓里侧（图12），这样即使是短弓，也能在拉满弓的时候保持足够的韧度。小巧的蒙古弓既能满足蒙古士兵从马背上发射的便利性，又有足够的力道射中3百米之外的目标。这给现代的科学家们引入新的概念——复合材料。

结合两种特性的材料，就能制造出更加优秀的产品。几百年前复合材料制成的蒙古弓帮助成吉思汗一统天下，现代的复合材料则帮助世界最大的A380成功统治巨型民用喷气机市场。
  
  

图8：“飞鸡”大炮

  

图9：遭受“飞鸡”撞击后的铝板样本仅有稍微的变形

  

图10：薄型铝板强度完全不够  

图11：弓的双重受力

图12：复合材质制作的蒙古短弓

6、A380上哪个复合材料能够如此坚韧？

A380同样也需要复合材料的加持才能达到轻质化的目标，它的蒙皮同样由两种材质组成。薄型铝板虽然刚性高，但遭受重力撞击的时候，铝板会弯曲然后整块裂开（图10），蒙皮需要第二种材料，就像短弓上的鹿腱一样。工程师选择了一个让我们意想不到的材料——玻璃，玻璃虽然易碎，但在玻璃变形的时候，裂痕会不断的扩散，有些裂痕会贯穿整块玻璃。普通的玻璃非常容易破碎（图13），但是有个方法可以使玻璃变的坚固得足以承受炸弹的爆炸强度。玻璃被加热到摄氏1千5百度的高温时会熔化，在熔融状态能被延展到极长的长度还不会断裂，就成为了新型的材料。普通玻璃会有细微的裂痕，玻璃纤维没有所以它异常坚固，玻璃纤维的强度可以达到钢的6到10倍。

玻璃纤维也能制作成织物状，作为片材使用。接着就是添加液态树脂，树脂干了之后会把玻璃纤维粘合在一起，形成最坚固的玻璃——玻璃纤维（图14）。玻璃纤维的强度极高，即使用铁锤反复的强力敲打（图15），也只会造成内部的纤维断裂，但裂痕不会扩散。薄铝板加上玻璃纤维后如虎添翼，这种复合材料被称之为铝合金玻璃纤维（Glass Fiber Reinforced Aluminium Laminates，简称GLARE）。铝合金玻璃纤维同样要接受“飞鸡”大炮的“洗礼”，事实证明铝合金玻璃纤维足够的坚韧（图16），顺利的通过了测试。

  

图13：普通的玻璃遭重击后，非常容易破碎

  

图14：玻璃纤维

  

图15：即使用锤头反复的重击也不会破碎

  

图16：事实证明铝合金玻璃纤维足够的坚韧

7、铝合金玻璃纤维能通过恐怖分子的炸弹袭击吗？

联邦航空总署（FAA）为了模拟测试恐怖袭击的情形，特意在机舱内放置了塑胶炸弹，放在以铝合金玻璃纤维制成的行李货舱内，结果显示，货舱仅仅是产生了鼓包变形，并未遭遇大的结构问题。

  

图17：铝合金玻璃纤维顺利通过了爆炸测试

对于A380的设计师来说，铝合金玻璃纤维完美结合了高强度和轻质量的特性，对于整个机型的成功开发具有战略意义。A380有面积超过470平方米的蒙皮由这种材料制成，铝合金玻璃纤维比铝要轻四分之一，为减少A380的碳排放量做出了重要作用。

8、A380逃生滑梯如何做到6秒钟充满气体？

A380在天上的问题解决了，我们仍要面对在地面上所出现的问题。位于法国图卢兹的空中客车总部，飞机最后的装配线有将近半公里长，高度则有50米，装配完成后的A380客机是目前世界上最长、最宽和最高的民用客机。上层的机舱出口距离地面高达8米，如果飞机遭遇不测，乘客需要跑很长的距离才能逃出生天（“空难改变航空史”中可以看到，一旦发生迫降时间，逃生每增加一秒，就可能造成更多无辜的生命丧失。）A380的模拟紧急疏散的实验表明，为了达到符合国际民航机的规定，机长满乘853名乘客在疏散时，只能利用飞机16个出口中的8个。

飞机如果发生火灾，乘客必须要在90秒内逃出机舱。工程师们必须合理的设计逃生路线和紧急出口才能达成这一目标。没有辅助设施的2层客舱紧急出口距离地面有3层楼高度，这无异于另一场灾难。因此A380拥有世界上最大的逃生滑梯，在规定内，飞机的滑梯必须在6秒钟之内完成充气程序，以免临近紧急出口的乘客堵住生命通道。普通的充气方法在短时间内根本无法充满整个安全滑梯，工程师引入火箭的工作原理进入到测试当中，采用火箭气体当做助推器和压缩气体相结合的形式，并在进气口加装一个漏斗形的进气器。漏斗越窄的地方，通过的火箭气体会加速前进，导致压力下降，从而形成真空效应，会吸入更多的气体进入救生滑梯（图19）。
经过改进型的A380逃生滑梯更可在4秒内便可充满气体，在实地演练的时候，853名模拟乘客在78秒钟内便完成了疏散训练。救生滑梯是最后的救命之路，工程师决定走在前头，在一开始便避免飞机发生紧急状况。

图18：高达3层楼的紧急出口

  

图19：真空效应会促使更多的空气被吸入

9、如何打造A380的起落架？

当A380客机在空中时，降落时所需要面对的潜在危险要远高于其他时刻。这个庞然大物最大的设计起飞重量达560吨，这几乎相当于466辆高尔夫7的重量，工程师们需要设计特别的起落架组来面对这个大家伙在降落时产生的冲击力。A380起落架共有5组22个轮胎组成，每组轮胎都安装有巨大的避震器，飞机能够搭载乘客平安落地，全仰仗起落架的功劳。A380的起落架必须能承受在强侧风天气下，单轮瞬间着陆的冲击，即使飞机的下降率超出常规的4倍也是如此。聪明的工程师从自行车的打气筒中获取灵感用来制作起落架的避震器，他们把飞机的避震器当做装有活塞的打气筒，不同的是A380的避震器内不是空气而是油质液体（图20），能让560吨重的飞机降落时能保障足够的舒适度。

  

图：20 拥有5组巨大避震器的起落架组

工程师们从生活中和大自然中汲取充分的灵感打造了新一代旗舰级客机——A380，看似复杂无比的客机设计原理却与生活息息相关。依靠先进的材料和设计理念让它称霸蓝天。

作者简介： 乔善勋，高校教师。任职于河南工业贸易职业学院，主讲航空物流、交通安全管理等课程。致力于研究通用航空和航空物流业行业，对航空摄影及航模有着独到见解。新浪微博、微信号：Yankeejoe。

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