飞机机翼抖动弯曲正常吗?机翼是按“会弯”设计的

飞机机翼抖动弯曲正常吗?客机机翼被设计成有一定弹性,颠簸中看到它上下起伏、轻微抖动,通常是设计内的结构响应。美国适航条文要求结构在极限载荷下至少承受 3 秒而不破坏,而极限载荷高于使用中预期的最大载荷。这是设计和试验层面的依据,不是对某一次航班的保证。
机翼为什么会弯、会抖?
机翼要托起整架飞机,同时要尽量轻,设计上允许它有一定弹性。遇到气流变化时,它会随之弯曲,再弹回来,从机舱里看就是上下起伏、轻轻地颤。
适航规章对此是有明确要求的。14 CFR 25.341 规定,设计运输类飞机时要考虑阵风载荷,并且必须把飞机对垂直和侧向连续湍流的动态响应考虑进去。也就是说,“碰到气流就弯”是设计时就算进去的,不是意外。这是美国对运输类飞机的要求,其他国家的适航规章有对应条款,本文没有逐条核对。
机翼弯曲会断吗?
14 CFR 25.305 把要求分成两层:在限制载荷以内,结构不能有有害的永久变形,变形也不能影响安全运行;在极限载荷下,结构要能至少 3 秒不破坏。限制载荷是飞机在使用中预期会遇到的最大载荷,极限载荷是在它之上再乘以安全系数 1.5。
制造商要用试验证明这一点。2010 年,波音对 787 的静力试验机做了机翼极限载荷试验,所加的载荷相当于飞机在使用中预期遇到的最大受力的 150%,机翼向上弯曲了约 25 英尺(7.6 米)。当年 4 月,波音宣布试验要求全部满足,结构保持了所要求的完整性。这是制造商自己的说法,对应的是这一型号的地面试验。
要注意,试验是故意把载荷加到远超日常的程度,目的是证明有余量,不代表飞行中机翼会弯成那样。
787 的机翼为什么弯那么多?
上面 787 机翼大幅上弯的情形来自地面静力试验。中国经济网的一篇科普解释,波音 787 和空客 A350 的复合材料用量都高达 50%,并且主要受力的机翼结构也用了复合材料;复合材料有较高的比强度和比刚度,用在大展弦比机翼上,能在满足强度要求的前提下,让变形比常规金属机翼更明显。
同一篇文章还说,飞行中机翼受到最严重的向上载荷(约 2.5 倍重力的过载),才会产生服役中的最大弯曲,而试验载荷是它的 1.5 倍,所以日常运营中的最大弯曲比试验中小得多。这是一篇科普文章的说法,不同机型的具体数字不同,本文不给出各机型的弯曲数值。
文章还提到,机翼变形大,会影响飞机的气动性能,设计师可以针对性地利用这一点来降低油耗;它也给密封、管路布线和机构协调带来额外的设计难度,这些是设计阶段要解决的问题,不需要乘客操心。
看到机翼晃动时可以做什么
先听机组的指示,颠簸时系紧安全带,坐着不要起身。如果看着机翼让你更紧张,可以拉下遮光板,或者把视线移到前排座椅靠背上,只要觉得舒服就行。
可以做几轮慢呼吸:按英国 NHS 的方法,用鼻子轻轻吸气,用嘴慢慢呼气,让气息沉到腹部,不要用力,想数数就数 1 到 5。这是自助练习,不是治疗。
如果你看到机翼上有持续流出的液体、明显的裂缝或松脱的部件,或者抖动同时伴有异常的声响和持续剧烈的振动,请按呼唤铃告诉乘务员,不要先自己判断。关于颠簸本身,可以看颠簸(湍流)是怎么回事和颠簸会导致坠机吗。
用 Smooth Air 做准备
Smooth Air 里有按飞行阶段整理的声音和呼吸练习,可以提前熟悉飞行中的声音、练习呼吸。它不能反映机翼的状态,也不是安全检测工具。如果你更想知道哪个座位看机翼更舒服,可以看焦虑的人坐哪个座位。
什么时候该求助
如果一看到机翼晃动就心跳加快、手发抖,或者因此不敢坐靠窗的位子,甚至不敢再坐飞机,可以考虑找精神科或心理科的医生聊聊。胸痛和呼吸困难也可能另有原因,别一味归为紧张,请及时就医;在飞机上,告诉乘务员就好。
常见问题
机翼弯曲会断吗?规章要求结构在极限载荷下至少承受3秒不破坏,极限载荷高于使用中预期的最大载荷。波音在787地面静力试验中加载到预期最大受力的150%,机翼上弯约7.6米,结构仍保持完整。
为什么机翼在飞行中会抖?机翼是有弹性的结构,遇到气流变化会跟着起伏。适航条文要求设计时把飞机对垂直和侧向连续湍流的动态响应考虑进去,所以颠簸时看到机翼轻微晃动,是设计预期内的反应。
787 机翼为什么弯那么多?787和A350的复合材料用量高达50%左右,复合材料强度和刚度相对重量更高,有利于做出大展弦比、较柔的机翼。787机翼大幅上弯的是地面静力试验;中国经济网的科普说,日常运营中的最大弯曲比试验中小得多。
什么样的机翼异常要告诉乘务员?如果看到机翼上有持续流出的液体、明显的裂缝或松脱的部件,或者抖动时伴有异常声响和持续剧烈的振动,请按呼唤铃告诉乘务员,不要自己判断。单纯的上下起伏和轻微晃动,通常属于颠簸中的正常现象。
参考来源
- 14 CFR 25.305 Strength and deformation(美国联邦法规,LII)
- 14 CFR 25.303 Factor of safety(美国联邦法规,LII)
- 14 CFR 25.341 Gust and turbulence loads(美国联邦法规,LII)
- Boeing: Boeing Completes Ultimate-Load Wing Test on 787(2010年3月28日)
- Boeing: Boeing Confirms Success on 787 Wing, Fuselage Ultimate Load Test(2010年4月7日)
- 中国经济网(大飞机):科普:飞机机翼能弯曲到什么程度?(2016年7月19日)
- NHS: Breathing exercises for stress
离线也能用的支持
用 Smooth Air 提前熟悉飞机的声音,把自助练习准备好带上飞机。它不是治疗,也不是安全检测工具。