發(fā)動(dòng)機(jī)布局上的“門道”

詹東新 方沐

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是一種高度復(fù)雜和精密的熱力機(jī)械，為航空器提供飛行所需的動(dòng)力。航空發(fā)動(dòng)機(jī)不僅在性能上存在很大差別，在安裝的具體位置上也有所不同。一般來說，噴氣式飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)除了常見的翼吊式布局外，還有翼根、尾吊和翼尾吊等布局。

翼吊式布局

先從最常見的翼吊式布局入手。這種布局方式首先出現(xiàn)在轟炸機(jī)上，后來在幫助波音奠定行業(yè)巨頭基礎(chǔ)的707飛機(jī)上采用。一經(jīng)采用，這種布局就當(dāng)仁不讓地成為了主流。之所以如此受追捧，在于其有諸多優(yōu)點(diǎn)。首先，這種布局有利于利用發(fā)動(dòng)機(jī)的重量抵消飛機(jī)機(jī)翼與機(jī)身連接處的部分扭力，起到重要的“卸載”作用。

在飛行過程中，飛機(jī)靠機(jī)翼產(chǎn)生向上的升力，而重量較大的機(jī)身又產(chǎn)生很大的向下重力。如此一來，在機(jī)翼和機(jī)身的連接處，機(jī)翼產(chǎn)生的升力和機(jī)身產(chǎn)生的重力就形成了很大的扭力，使翼根成為飛機(jī)結(jié)構(gòu)上最吃重的地方。如果將非常重的發(fā)動(dòng)機(jī)吊在機(jī)翼下，就可以把一部分重量分散到機(jī)翼上去，有助于平衡翼根處所受到的扭力。

將發(fā)動(dòng)機(jī)吊在機(jī)翼下面，還能減輕噪音帶來的不適感。飛機(jī)在飛行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的聲音非常大，會(huì)給發(fā)動(dòng)機(jī)區(qū)域附近的旅客帶來非常嘈雜的感覺。而安靜的艙內(nèi)環(huán)境是衡量飛機(jī)舒適性的重要標(biāo)準(zhǔn)。為此，飛機(jī)設(shè)計(jì)師們?cè)O(shè)想，如果將發(fā)動(dòng)機(jī)吊在機(jī)翼下，不僅能讓機(jī)翼對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲形成遮擋屏障作用，而且能讓發(fā)動(dòng)機(jī)盡可能地遠(yuǎn)離機(jī)身，從而減輕噪音的影響。

此外，將發(fā)動(dòng)機(jī)吊在機(jī)翼下還有下列優(yōu)點(diǎn)：發(fā)動(dòng)機(jī)距離地面更近，維修和養(yǎng)護(hù)更加容易；安裝在機(jī)翼下方的發(fā)動(dòng)機(jī)距離飛機(jī)重心位置近，使飛機(jī)更容易控制；由于機(jī)翼的面積較大，因此在翼下增減吊掛發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)量也相對(duì)容易。

將發(fā)動(dòng)機(jī)吊在機(jī)翼下可不是隨隨便便放上了事，需要綜合考慮飛行中的阻力、氣流等多方面因素。民航飛機(jī)基本上都是下單翼，在此情況下，飛機(jī)設(shè)計(jì)師要確保吊掛在機(jī)翼下的發(fā)動(dòng)機(jī)不能距離地面過近，為的是防止吸入地面雜物，損壞發(fā)動(dòng)機(jī)。

我們通常所說的翼吊式發(fā)動(dòng)機(jī)是在機(jī)翼下方吊掛發(fā)動(dòng)機(jī)，但是也有反向行之，將發(fā)動(dòng)機(jī)布置在機(jī)翼上方的。其實(shí)，從翼上發(fā)動(dòng)機(jī)不受翼下離地高度的限制、具有和翼下發(fā)動(dòng)機(jī)同樣的卸載作用等角度來看，翼上發(fā)動(dòng)機(jī)布局非?？茖W(xué)。然而，一旦將發(fā)動(dòng)機(jī)置于機(jī)翼上方，那么就不能形成機(jī)翼對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噪音的遮擋作用。此外，翼上發(fā)動(dòng)機(jī)布局由于將發(fā)動(dòng)機(jī)的位置提高，使發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)變得困難。將多種因素綜合考慮后，目前采用翼上發(fā)動(dòng)機(jī)布局的飛機(jī)并不多見。

翼根布局

翼根布局是一種歷史悠久的發(fā)動(dòng)機(jī)布局。從早期的噴氣式客機(jī)“彗星”和圖104開始，設(shè)計(jì)師們就將發(fā)動(dòng)機(jī)裝在機(jī)翼根部。設(shè)計(jì)師之所以選擇這種布局，是因?yàn)檫@種布局能使飛機(jī)保持著由機(jī)翼、機(jī)身、尾翼三組主要空氣動(dòng)力部件形成的外形，引風(fēng)阻力最小。而且，由于發(fā)動(dòng)機(jī)距離機(jī)身中軸線、機(jī)體重心比較近，一旦一側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障后，產(chǎn)生的推力不平衡也比較小，飛行控制比較簡(jiǎn)單。因此，早期的噴氣式客機(jī)大多采用這種發(fā)動(dòng)機(jī)布局。

當(dāng)然，這種布局也有明顯的局限性。翼根發(fā)動(dòng)機(jī)布局使發(fā)動(dòng)機(jī)緊靠機(jī)身，此舉一是會(huì)讓機(jī)艙內(nèi)的噪音很大，二是發(fā)動(dòng)機(jī)噴出的熾熱氣流容易對(duì)機(jī)身造成損壞。此外，這種布局形式讓機(jī)翼穿過發(fā)動(dòng)機(jī)艙和機(jī)身連接，使受力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得復(fù)雜，加大了機(jī)翼根部的結(jié)構(gòu)重量。此外，由于發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在機(jī)翼結(jié)構(gòu)之內(nèi)，增加了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)維修的難度。

尾吊式布局

尾吊式布局就是將發(fā)動(dòng)機(jī)置于飛機(jī)尾部。最先采用這種發(fā)動(dòng)機(jī)布局的噴氣式客機(jī)是“快帆”，后來出現(xiàn)的波音727也采用了這樣的布局。

這種布局的優(yōu)點(diǎn)很明顯：一是機(jī)翼下沒有多余的凸起物，減輕了發(fā)動(dòng)機(jī)吊艙對(duì)升力和阻力的影響；二是對(duì)翼下空間沒有硬性要求，設(shè)計(jì)師可以縮短起落架高度，節(jié)省結(jié)構(gòu)重量；三是可以為位于機(jī)身前部的頭等艙、公務(wù)艙，甚至高端經(jīng)濟(jì)艙提供更加安靜、舒適的環(huán)境；四是發(fā)動(dòng)機(jī)的直徑也不用受空間局限，可以采用非常大涵道比的發(fā)動(dòng)機(jī)；五是由于發(fā)動(dòng)機(jī)距離較近，一旦單發(fā)失效，對(duì)飛機(jī)偏航的影響遠(yuǎn)小于翼下吊掛布局。

這種布局也存在著缺點(diǎn)，比如瓦解了發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)機(jī)翼的卸載作用；機(jī)尾發(fā)動(dòng)機(jī)布局要求采用高平尾，需要在機(jī)型設(shè)計(jì)時(shí)加強(qiáng)垂直結(jié)構(gòu)；不能隨意增減發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量等。

“翼吊+尾吊”布局

“翼吊+尾吊”發(fā)動(dòng)機(jī)布局，可以在部分采用3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)上看到。其中，最具代表性的是美國(guó)麥道公司生產(chǎn)的DC-10 和MD-11遠(yuǎn)程寬體客機(jī)。當(dāng)初，采用這種發(fā)動(dòng)機(jī)布局方式的指導(dǎo)思想是在尾翼上加裝一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，以增大飛機(jī)的動(dòng)力，延長(zhǎng)飛行距離。這種“翼吊+尾吊”發(fā)動(dòng)機(jī)的布局方式，隨著民用飛機(jī)二發(fā)吊裝的日益普及，已逐漸被淘汰。