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民航喷气式客机的发动机布局
 

 

喷气式客机的发动机可以布置在机翼、翼根或机尾,当然也可以在这几种形式之间混合。

  第一架喷气式客机“彗星”式采用的是现在已经罕见的翼根发动机布局,也就是发动机安装在翼根紧靠机身的发动机舱里。这种布局的引风阻力最小,发动机里机身中轴线最近,一旦一侧发动机故障后,推力不平衡比较小。发动机离机体的重心也最近,飞行控制比较简单,因此在早期的喷气式客机中应用较多。除了英国的“彗星”式,苏联的图-104(包括基本相同的轰炸机图-16,在中国称轰-6)也是采用翼根发动机布局。但这种布局也有其严重的局限。发动机紧靠机身,噪音很大,炽热喷气流对机身的冲刷较严重。另一个问题是机翼穿过发动机舱和机身连接,在结构上很别扭。更大的问题在于发动机舱是为特定的发动机专门设计的,很难改装其他发动机,所以发动机技术进步了,也难以容易地应用最新成果,除非重新设计发动机舱。这牵扯的面就大了。在第一代喷气式客机之后,这种布局基本上绝迹了。

英国 de Havilland 的“彗星”是第一架喷气式客机,这是英国的骄傲,也是英国海外航空公司(BOAC,现在并入英航BA)的旗舰

发动机融合在机翼结构中,迎风面积最小,离机身轴线最近,在喷气发动机推力和可靠性都不足的早期,这种布局是合理的

以“彗星”为基础的 Nimrod 反潜机至今仍然是英国皇家空军空中反潜的主力

苏联的图-104 也是翼根发动机,不过从彗星的四发改成了双发

和图-104 在本质上同型的轰-6 轰炸机至今仍然是中国空军的主力轰炸机

  自从波音 707 采用翼下吊挂发动机布局以后,翼下吊挂发动机成为大型喷气式客机的主要形式。飞机靠机翼产生向上的升力,但飞机的重量大部分集中在机身,所以向下的重力集中在机身。这样,在机翼和机身的连接,升力和重力形成强烈的扭力,翼根成为结构上最吃重的地方,需要特别加强。翼下吊挂沉重的发动机可以把一部分重量分散到机翼上去,这样翼根的扭力就部分地被平衡掉了,对翼根结构的加强可以减少,重量就较轻,这就是所谓的翼下发动机的“卸载”作用。机翼内的大型油箱也有类似的作用。翼下发动机的吊挂点越靠外,卸载作用越明显;但发动机越靠外,一旦一侧发动机故障的话,不平衡推力也就越明显。所以卸载和飞行安全之间要平衡考虑,只有在确保飞行安全的情况下,才能考虑充分卸载的问题。另一个问题是发动机吊舱的设计。发动机吊舱的前缘需要领先于机翼前缘,以保证发动机在干净的气流场中,不和机翼发生不利的交互作用。发动机的吊架造成迎风阻力,所以不宜太长,但这还不是最大的问题。客机基本上采用下单翼,这样翼下的起落架长度可以缩短。但吊挂的发动机不能离地过近,否则容易吸入地面杂物,损坏发动机,造成危险。但发动机和机翼前缘没有足够高度差的话,发动机会对机翼前缘造成遮挡,极大地影响升力,需要增大翼展和翼面积,这增加了重量和阻力。发动机吊舱的设计是和机翼的上反、起落架一并综合考虑后,才能决定的,对飞行阻力。翼下吊挂发动机布局的最大优点是对机翼的卸载作用,当然,在空间容许的情况下,翼下发动机舱可以比较容易地在不同发动机之间更换,为飞机不断利用最新科技成果创造了条件。这对大型飞机尤其重要。这容许航空公司在不同的发动机公司之间选择,也使同一基本型号的飞机加长或缩短时可以和最合适的发动机相匹配。对于客机来说,翼下吊挂发动机的另一个优点是噪音较低,因为发动机远离机身,又有机翼遮挡。翼下吊挂发动机的离地高度较低,维修也比较容易。翼下吊挂发动机的增减也比较灵活,翼下双发、四发、六发、八发甚至更多,都能够容易地做到。除了少数例外。

波音 707 首创在翼下吊挂发动机,这以后成为大型飞机的基本布局

DC-8 是和波音 707 同时代的,发动机吊架同样地比较长,通常和机翼的间距在发动机半径以上,以确保发动机处于干净气流中

波音 737 是波音将 707 截短并“裁减”掉两个发动机后产生的

波音 737 机身较短,起落架较短也不会发生起飞时机尾拖地的问题,但这样一来,发动机的离地净空就很局促,只好尽量缩短吊架长度,早期型号光缩短发动机吊架就大体可以保证发动机离地的净空

后期型号的发动机增大,需要压扁发动机短舱前缘的下端,因为离地净空实在是不够,前缘是圆的话就容易蹭地活吸入地面杂物了,同时发动机前缘上端几乎和机翼平行

相比之下,波音 707 的机身较长,为了避免起飞时机尾拖地,起落架比较高大,所以发动机吊架稍长一点也问题不大

只要有需要,发动机数目再增加也没有问题,这是 6 发的安-225

这是另一种 6 发的吊挂法,内侧发动机两两一组,外侧发动机单独吊挂。注意外侧发动机的位置很靠外,这是为了更好地利用卸载的效果。由于有内侧发动机顶着,外侧发动机即使故障,推力不平衡的问题也不是太大

8 发的 B-52 尽管是两两一组,但要是分别吊挂,也没有什么不可以,阻力大一点就是了

翼下吊挂发动机维修很方便,在地面上就可以进行

但归根结底,翼下吊挂发动机最大的好处不是可以任意增减发动机数目,而是为机翼卸载。A380 停在地面时,可以看到机翼下垂的情况。飞起来后,机翼就在升力的作用下“飞升”,这时发动机的重量就可以平衡掉集中在翼根的很多扭力。显然,越多的重量集中在产生升力的机翼上,翼根的扭力越小,在结构上越轻捷。这就是为什么飞机工程师一直对飞翼情有独钟的道理,因为飞翼取消了机身,升力和重力都在一个地方,只要本身不散架,就没有特别必要加强的地方

  翼下吊挂发动机是最常见的,但也有将发动机布置在翼上的。翼上发动机不受翼下离地高度的限制,也具有和翼下发动机同样的卸载作用,但机翼对翼上发动机的噪音没有遮挡,发动机维修也比较困难。最大的问题是,上翼面的气流速度较快(这是机翼产生升力的基本原因),发动机支架对气流的遮挡所造成的升力和阻力损失比在翼下更严重。采用翼上发动机的飞机比较罕见,只有中型的德国多尼尔 VFW-614 和本田的“本田喷气机”采用这种独特的布局。

西德 Dornier 的 VFW-614 采用少见的翼上发动机布局

这样起落架的长度可以最短,节约起落架的重量,也方便乘客上下飞机

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