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《起风了》中的航空知识 

 

 

《起风了》技术细节探讨

1Tricyclevs Tailgear

影片的一开始,掘越二郎在梦中和意大利著名飞机设计师卡普罗尼相会所见到的飞机——CaproniCa.3——是一战时期意大利陆军使用的重型轰炸机。

暂且不提意大利军队在一战二战中的卖萌表现,意大利的飞机工业的确在当时走在了世界的前列,时至今日意大利出产的PiaggioP180 Avanti还是我最最喜欢的一个飞机设计,被称为飞机中的法拉利。Ca.3轰炸机有个和许多同时代飞机不同的特点就是它采用了tricycle的起落架设计,也就是我们常说的前三点式起落架。在同时代甚至是CaproniCa系列的初期,设计师们都不约而同的使用了Tailgear也就是后三点式的设计,这类设计的好处就是在于其能够在恶劣的场地条件下起飞,比如草地和泥土地,同时tailgear的设计也比其他各类起落架设计有着重量轻的优点。在当时场地条件和发动机功率的限制下,绝大多数飞机都采用了这种设计。同时可以注意到,在飞机滑跑的时候,tailgear的飞机就已经有了一定的迎角,这对于起飞时候获得更大的CL具有很好的优势。但是tailgear也有三大缺点使得其慢慢在航空发展史中淡出舞台,特别是在人类迎来喷气式时代之后,tailgear也就基本不再被使用了。第一大缺点就是极其容易groundloopGroundloop通常是指地转,就是飞机在地面失去控制而产生的旋转,后三点在这方面就有很大的优势(见下图来自Roskam的《AIRPLANEDESIGN》)。

第二大缺点就是tailgeartaxi的过程中下视视野非常差,这个基本是打娘胎里就有的毛病,基本无法克服。第三大缺点就是taxiing过程中的转向显得动力不足。

当然也不是说tricycle就一定比tailgear在各方面都有优势。Tricycle起落架的重量一般都比较大,同时因为单独的前轮相比较tailgear的两个前轮来说需要吸收更多的着陆能量和机身重量,前轮的结构设计和材料要求就更高,成本也就增加。当然,tricycle的优点也是很明显的,下视视野好,不容易groundloop,同时起飞的难度也小。

2Fixedvs Retractable Gear

在影片中的七试舰战为了达到海军要求的速度在起落架前安装了很笨重的导流板

众所周知,固定的起落架在飞机平飞过程中会产生极大的阻力,在如今飞机的设计中,如果设计cruisespeed超过150Knots277km/h),那么就会极力推荐使用可回收的起落架也就是retractablelanding gear飞机的阻力和速度的平方成正比,也就是说在阻力系数一定的情况下,阻力的大小将随着速度的增加而成几何次方增加。这个时候就要减小任何可能产生阻力的部件,当然起落架首当其冲。不妨来看一下一组数据,是一架经典飞机DC9dragpolar

Take-off, gear up: CD=0.0387+0.0398CL2

Take-off, gear down: CD=0.0557+0.0398CL2

很明显起落架的放下导致了0.017的阻力系数增加。考虑到飞机的起飞速度(约200km/h)和wetarea(97.5平方米),单单起落架在起飞过程中就产生了3300N的阻力,可想而知在速度更大的时候阻力将会有多大。

考虑到机械的复杂性和retractablegear所带来的额外重量,掘越二郎在七式舰战上采用了type4的前三点式起落架分布配合全挡板的设计,这个导流板的优点在于极大的减小了阻力,根据Roskam提供的数据显示,无导流板的情况下type4的阻力系数是0.52(这里的数据根据的是起落架的wetarea 而不是飞机的wetarea,而安装了全挡板的情况下,阻力系数下降到了0.34,将近35%的阻力减小。但是这样的导流板也增加了整个飞机的重量,设计师需要在其中平衡决定。

影片中有一段掘越二郎和工友们开研讨会的情节,其中讲到了将在新的飞机中使用retractablegear

虽然在最后的九试单座战斗机中依旧使用了fixedgear,但是掘越二郎将这项技术最终用在了他的巅峰之作零式战斗机上。从一个侧面也许能说明retractablegear也是零式性能大大超越日本之前所有战斗机的一个重要原因。

3. Bi-plane vs Monoplane

在影片中A1-N三式舰战的发动机故障让掘越二郎吃了一大口的航空煤油,而这款飞机的双层机翼也算是亮点之一。

在设计低速飞机时候,至今也没有一个定论到底是bi-plane好还是monoplane好,这个就算是设计师仁者见仁智者见智的选择了。通常情况下,bi-plane因为翼面面积的增大,其翼展就会相对小很多,这对于航空母舰这样极需考虑舰内空间的地方来说是个极大的优势。同样的,双层机翼带来的高升力使得飞机起飞所需要的滑跑距离大大减小,这也就是为何在航母时代的初期,大部分的舰载机都是bi-plane的原因。

说到机翼就不得不提一个概念叫做wingloading就是指机翼单位面积所承受的力。不考虑飞机过载机动的情况下,起飞的wingloading是设计师第一个需要考虑的东西。通常情况下民用单引擎飞机的wingloading10-25之间,军用单引擎飞机在40-70之间,当然很明显的战斗机是最高的在70-140之间。Bi-plane增大了翼面的面积,就相当于减小了wingloading,也减小了机翼结构所承受的力(考虑到当时蒙皮都几乎不起到任何辅助结构作用的情况下)。所以在航空史的初期,在人们对结构还一知半解和材料科学不是很发达的时候,bi-plane几乎是设计师所能想出来的唯一的提高飞机起降性能和荷载的有效方法。但是当航空金属和材料力学发展到一定的时候,这种略显累赘的设计就渐渐被摒弃了,二战后期几乎所有的战斗机都清一色的使用monoplane的设计。

在这里我们就稍微简单的来说下飞机机翼的设计。机翼几乎是设计师最先要考虑的东西,通常在选定了机翼构造(bi-planeor monoplane)的情况下会有11个步骤来设计机翼。

第一是wing/fuselagearrangement。这就是我们所说的highwing, mid wing, low wing。影片里很好的呈现了这三种不同的设计(从上到下分辨是high/mid/low)

大部分情况下,lateralstability是最需要考虑的东西。Lowwing是最不稳定的,但是真是这个不稳定使得飞机在翻滚的时候更加快(战斗机就是要翻滚的更快),这就是为何二战后期的战斗机不约而同的选择了lowwing。而highwing是最稳定的,同时是飞行员视角最好的,这也是为何大部分的民用飞机(cessna172等)都使用这个设计,而mid基本就是一个平衡的设计了,轰炸机使用的较多。

第二是选择quarterchord sweep anglethicknessratio。不得不说在人类还没进入喷气式时代的时候,sweepangle 是设计师完全不考虑的东西,基本二战所有的飞机都使用了平直翼。Sweepangle主要是用来增加机翼的criticalMach number的,但是二战时候的飞机基本都离音速很遥远,所以这里就不详细阐述了。Thicknessratio 是指机翼的最大厚度和chord的比值(t/c)。通常情况下比值越大阻力系数越大,这个在跨音速和超音速的时候是会产生极其大的阻力系数骤增的,但同时大比值也能储存更多的燃料同时获得更大的升力。二战时候的飞机大部分运用了很大的t/c数值,主要也是因为飞机速度不快同时燃料的储存很重要。

第三是选择airfoil。不得不说airfoil这个东西算是贯穿了整个影片的一个线索,掘越二郎在影片开始时候对着青鱼骨的形状着迷,说青鱼骨的形状和NACAairfoil是一样的。NACAairfoil数据算是目前比较全面的,也是人们在设计机翼的时候第一个会去参考的。Airfoil的选择关系到整个飞机的升力阻力系数。

第四是飞机的taperratioTaperratio是指翼尖chord长度和翼根chord长度的比值。早期的飞机都选用了比值为1的机翼,因为这些飞机不用做高机动的动作,而二战时期的战斗机已经需要做很多高机动高难度的飞行动作,所以tipstall这个问题也就随之出现了。Tipstall是指在翼尖部分的机翼不产生升力的情况(不详细阐述了,原因很多,有兴趣的读者可以参考viscousflow或者Andersonaerodynamics书)。通常情况下,taperratio越小,tipstall的效果就越小,因为在翼尖部分面积小,最极端的情况就是我大中华的歼7使用的三角翼。二战时候比较流行的是椭圆机翼和梯形机翼,掘越二郎在他的巅峰之作零式战斗机里就使用了1/44taperratio

第五是机翼升力计算和highlift 控制面的设计。这个内容太复杂了,不详细诉说了,但是只提一下影片中出现的内容。影片里出现了襟翼和slot(不知道中文是啥,哪位大神来说吧)

(这个翻译有点坑,不知道中文是不是这么说的)

这两个控制面都是用来增加机翼在低速情况下的升力的,原理就是增加airfoil的曲率来获得升力。

第六是选择Lateralcontrol控制面的形状,大小和位置。这里通常指Aileron,影片里没有出现就不详细叙述了。

第七是画出机翼的形状(客观莫见笑……)

第八是计算机翼燃油容量。

第九是选择机翼的dihedralangle。这个需要叙述一下,因为影片里出现了这么一个卖萌的货……

九试单座战斗机在个人看来已经把dihedralangle演绎到登峰造极了。在翼根处掘越二郎使用了负的dihedralangle,而起落架往外使用了正的dihedralangle,所以机翼就像是倒着的海鸥,也是就是所谓的invertedgull wing。在这里解释一下dihedralangle。通常情况下正的dihedralangle会造成飞机翻滚的力矩(rollingmoment),因为此时飞机的sideslipderivative是负的,这个系数会影响到飞机的spiralstabilitydutchroll stability。越是负的sideslipderivative就会增加spiralstability但同时会减小dutchroll stability。所以我们看到大部分的highwing的飞机会用负的dihedralangel,因为highwing原本就有很高的dutchroll stability,负的dihedralangel会增加飞机翻滚动作的容易性。而lowwing的飞机会使用正的dihedralangle,这样在已有的dutchroll不稳定性情况下增加了一点稳定性。例子可以见下图

而为何掘越二郎在九试单座战斗机里用了两种不同的dihedral呢,这其实完全是因为发动机的螺旋桨直径太大而又不想造太高的起落架而采用的一种聪明的设计。因为飞机设计要求螺旋桨离地面有一定的clearance高度,而太高的起落架又会造成不必要的麻烦,所以这样一种设计既保持了高度又减小了起落架的高度,一举两得。

第十是选择机翼的incidenceanglewingangle。这个就不详细叙述了。

第十一是把前面所有的设计整理成一个文档(客官莫见笑了,设计师们的都喜欢把这一步单独列出来,因为老板只看报告来打分……)

4, Round head rivet vs countersink rivet

这就是我们所谓的圆头铆钉和平头铆钉的区别,在影片中也算是航空进步之一

其实理论上来说圆头铆钉和平头铆钉在结构和使用上几乎没有什么两样,最主要的不同是在于事先钻的孔的形状不同。圆头铆钉的钻孔就是普通的,而平头铆钉的钻孔会给铆钉头预留一定的空间,使得整个铆钉头陷在表面以下。下图是两种铆钉的比较。

从空气动力学角度来说,机翼和机身表面是越光滑越好,所以平头铆钉在减小阻力方面有一定的优势。但是另一方面,平头铆钉的安装会比圆头铆钉来的复杂,对工艺的要求也会更高。在结构设计中有limitloadultimateload的要求,limitload就是飞机服役过程中所能承受的最大力,而ultimateload就是limitload乘以一个安全系数,通常这个系数是1.5。不同于螺丝钉的设计要求,铆钉的设计要求通通是按照ultimateload设计的,而铆钉的损坏也只有两种:rivetshear failuresheetbearing failure

说到这里,撸主就要稍微谈谈机翼结构的问题了。撸主从小结构就学的特别差,如果有什么说的不好的地方,各位客官请轻爆。

一般的机翼结构由sparribskin组成。通常情况下spar会有两根主要的,frontsparrearsparFrontspar通常在机翼chord15-30%处,而rearspar65-75%处,影片里有个掘越二郎的设计图,图中rearsparchord60%处,不知道在倭国二战的时候是不是有不同的设计或者需要有什么特殊的要求,撸主不得而知了。

两个spar中间的那一段通常叫做torquebox或者wingbox。这里的设计一般会加上一些小的spar来增强强度,比如L形状或者Z形状的,这基本也是掘越二郎在影片后半段看到的那个L形状的flank

而和spar垂直的结构叫做rib。现在一般情况下的rib都采用的是中空的,就是一整块中间挖掉一些圆形的洞,而当时可能对结构的研究比较少,所以二战初期的rib的设计还是很简陋的,如下图所示,基本就是加一个crossbar

Cross bar的设计其实对机翼内部空间的利用上比较不当,同时在受力方向上也有局限,所以现今大部分的rib设计都如下图

通常来说对于轻型飞机,每个rib之间的间距在36英寸左右,运输机/客机在24英寸左右,而战斗机就比较宽泛了,没有一个定论,按照自身要求来定。

机翼的蒙皮在二战初期的时候还不是全金属的,大部分时候是用布制的,到了后来才开始使用铝合金,一般来说布制的蒙皮基本不起到对机翼的强化作用,受力的时候基本像个褶皱的猪皮一样。如影片里所示

当然机翼的结构设计千变万化,轻便,强度高,空间利用率大的都是好的设计,现代科技能够用电脑模拟机翼受力结构来辅助设计,在二战时候的条件下设计机翼结构是件多么复杂的事情撸主就不得而知了,反正觉得影片里大部分的时间掘越二郎都在和结构做斗争。

作为宫崎骏的脑残粉,一直对他没有专注的搞一部飞机动画片而耿耿于怀(《红猪》基本也不是飞机为主),而这次的《起风了》算是了了撸主心中的一个遗憾。而宫崎骏对于飞机的热爱和执着基本早就在他之前的动画片中体现的淋漓尽致,而这次算是变本加厉干脆来了部飞机为主的动画片,实在是让撸主兴奋的不行。而宫崎骏本人对于飞机知识的了解也在影片中体现了出来,每个细节都能感受到他忠于实际和科学的本质,基本把一部人类早期壮阔的航空史描述了出来,在此不禁又要表示:我要做他一辈子的脑残粉……

来源:科学网博客精选

链接:http://blog.sciencenet.cn/blog-2082791-846440.html

编辑:贾铭

 

 

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