飞机尾翼的奥秘

　　飞机的机翼是必不可少的组成部件，它负责给飞机提供升力让飞机能够在天空翱翔，没了机翼的飞机就不叫飞机了。

　　相比之下，位于机尾的尾翼，虽然飞机飞翔并不靠它实现，但没了尾翼的飞机依旧无法自由翱翔。因此尾翼和机翼在功能上同等重要。那么今天的内容，就和大家一起聊聊飞机尾翼的组成和功能。

　　▲ 空客A330-900neo尾翼

　　飞机的尾翼由水平尾翼（平尾）和垂直尾翼（垂尾）两部分组成。

　　先来说说水平尾翼。 平尾由水平安定面和升降舵两部分组成，其中前面面积较大的翼面叫做水平安定面，后面面积稍小的翼面叫做升降舵（如下图）。 它俩的主要功能是控制飞机的俯仰角度，确保飞机处于最佳飞行姿态。

　　▲ 水平安定面和升降舵

　　一般情况下，飞机的重心和机翼受到的升力中心并不会重合，重心位于升力中心的前面，因此这两个力会对飞机产生力矩使飞机低头。 而飞机的水平尾翼其实是一个倒置的小机翼，它在飞行时能产生向下的升力，为飞机提供一个反向的力矩，使飞机能够保持水平飞行。 假设一架飞机如果在飞行时突然失去了平尾，就会一头栽向地面。

　　▲ 飞机飞行时垂直方向上的简易受力分析

　　水平安定面可上下小幅度偏转，它的作用面积大，升力也大，反应时间较慢，它的主要作用是配平飞机，通俗点说就是提供一个和重力相反的力矩，使飞机在飞行时具有水平静稳定性。

　　每次飞行前，签派员会根据航班的机型、旅客数量、货物装载情况、载油量等因素计算出飞机的重心位置以及所需要的载重平衡，然后飞行员会根据签派计算好的载重平衡数据，通过转动驾驶舱内的配平手轮，来把水平安定面调整到合适的角度，确保飞机配平。

　　▲ 配平手轮

　　正确的载重平衡对飞行安全至关重要，不正确的配平会影响驾驶杆的杆力，严重时会造成飞机起飞擦尾、抬轮时间过早过晚、爬升率降低甚至是失速坠毁。

　　2013年4月29日，美国国家货运航空的一架波音747全货机由阿富汗巴格拉姆空军基地飞往阿联酋阿勒马克图姆国际机场，飞机内装载了5辆重型装甲车。 由于装卸人员未按规定对这5辆重型装甲车进行正确的固定，导致装甲车在飞机起飞过程中后移，使飞机失去了原有的载重平衡。 更要命的是，失去了固定的装甲车撞坏了位于机尾的两套液压系统和千斤顶螺杆，使飞机平尾失效，最终导致了飞机在起飞不久后便失控坠毁，机上七名机组员全部罹难。 整个坠机过程被地面上一辆车的行车记录仪给拍摄了下来。

　　升降舵的作用顾名思义就是用来控制飞机爬升或下降的。 升降舵可偏转角度较大，作用面积小，附加升力小，但反应快。 飞行员在驾驶舱内通过向前推动驾驶杆或向后拉杆来控制升降舵的偏转角度，从而给正在水平飞行的飞机提供一个附加力矩，使飞机抬头爬升或低头下降（如下图）。

　　▲ 方向舵运动示意图

　　另外，绝大多数飞机的升降舵翼面的后缘，还有一片铰接的小翼面，也可上下偏转，这个我们把它称之为“配平片”。 由于飞机在飞行时会因为速度的变化、人员的走动、颠簸、燃油消耗等因素致使受力情况发生改变，导致飞行姿态改变。 此时飞机的控制系统会根据实时动态自动调整配平片角度，修正飞行姿态。 这样，飞行员就不必通过不停地推杆拉杆操作升降舵来修正飞机。 同时，配平片了补偿了因外界扰动产生的舵压而对操作杆反馈的杆力，有效减轻了飞行员的工作负荷。

　　▲ 水平尾翼结构图

　　绝大多数民航客机的水平尾翼都位于垂直尾翼下方，但也有一些机型的平尾位于垂尾的上方，这种尾翼布局被称之为“T型尾翼”。

　　T型尾翼大多应用在大型军用运输机和尾吊式发动机布局（即发动机在尾部）的民航客机上。 比如国产支线客机ARJ21以及国产大型运输机运-20都采用的是T型尾翼布局。

　　▲ 国产大型运输机运-20

　　▲ 国产支线客机ARJ21由于采用尾吊式发动机布局，为了给发动机提供安装空间，采用了T型尾翼布局

　　T型尾翼的优点是能使平尾减少受到自身气流的影响，提高操作性，而且这种尾翼布局可使机后有较大的开口，方便装卸货物。 缺点是T型尾翼的重量全部靠垂尾来支撑，因此对垂尾的强度要求高，需要增加其结构强度，所以垂尾就要做得比较重。

　　还有，在有些对机动性要求比较高的飞机上，比如战斗机，水平尾翼被设计成可整体大幅上下偏转，不再区分水平安定面和升降舵，或者说把两者合二为一了。 我们把这种水平尾翼称之为全动平尾，如下图。

　　▲ 全动平尾

　　还有些战斗机把平尾设计在了机翼的前面，比如国产战斗机歼-10和歼-20，这种布局我们称之为“鸭式布局”，这时的水平尾翼就叫做“前翼”或者“鸭翼”。 使用这种布局的优点是可以用较小的机翼面积获得较大的全机升力，有利于减轻飞机的结构重量，提高失速攻角。 缺点是较容易造成不稳定。

　　▲ 国产歼-20战斗机采用了“鸭翼”布局意图

　　聊完了平尾我们再来聊聊垂尾。 垂直尾翼由固定的垂直安定面和可以左右偏转的方向舵组成。

　　▲ 垂尾的组成

　　▲ 直观地感受一下空客A380的垂尾有多大

　　▲ 南航空客A350安装垂尾

　　垂直安定面是垂直尾翼中的固定翼面部分。当飞机沿直线作近似匀速直线运动飞行时，垂直安定面不会对飞机产生额外的力矩。但当飞机受到气流的扰动机头偏向左或右时，此时作用在垂直安定面上的气动力就会产生一个与偏转方向相反的力矩，可以使飞机保持航向。而且一般来说，飞机偏航得越厉害，垂直安定面所产生的恢复力矩就越大。所以垂直安定面的作用是提供飞机横向静稳定性的功能。如果飞机在飞行时突然失去了垂尾，飞机不但无法控制方向，还会受气流横向摆动变得难以控制。

　　1985年8月12日，日本航空一架从日本东京羽田机场飞往大阪伊丹机场的波音747-100SR客机，因维修不当致使飞机在空中发生爆炸性失压，高压空气直接将垂直尾翼吹落，导致飞机失控。尽管飞行员曾竭尽全力试图通过控制左右发动机输出推力的方法使飞机保持稳定，但是飞机在山区上空如同过山车般上下盘旋了半个多小时后，最终还是无力回天，飞机撞山坠毁。事故共造成机上520人遇难，仅4人幸存。这起事件是世界民航史上涉及单一架次航班遇难人数最多的一起空难事故。

　　▲ 日航123号航班曾被拍下在控制垂尾消失

　　▲ 日航123号航班事故搜救现场

　　有些大型运输机为了增加横向稳定性，还会在水平尾翼两侧增加辅助垂直安定面。 比如上世纪70年代，美国航空航天局（NASA）将两架波音747改装成了航天飞机的运载母机，最初用于航天飞机的滑翔试验，后来专门用于将航天飞机在佛罗里达的肯尼迪航天中心和加利福尼亚的爱德华空军基地之间运送。 运输时，航天飞机被固定在了波音747的“背”上，由于“背负”航天飞机飞行的过程中，机背上的航天飞机会严重影响747垂直尾翼的效率。 因此在改装747时，工程师们给平尾两侧末端加装了两块辅助垂直安定面，以确保充足的航向稳定性。 此外，飞机的结构也相应地进行了加强。

　　▲ “背负”着“奋进号”航天飞机飞行的波音747运输机，水平尾翼两侧有两片小的辅助垂直安定面，用于提供充足的横向稳定性。

　　▲ 空客大白鲸运输机的机尾上也安装有辅助垂直安定面

　　方向舵顾名思义就是用来控制飞机转向的，它是垂直尾翼中可偏转的翼面部分。 方向舵偏转后会对飞机在机尾产生一个横向力矩，并且在位于主机翼上的副翼配合下，使飞机横向翻滚倾斜一定角度实现来飞机转向的。

　　▲ 方向舵运动示意图

　　▲ 副翼运动示意图，飞机的转向是由方向舵配合副翼使飞机横向倾斜来实现的

　　现代民航客机大多采用单垂尾设计，即飞机只有一片垂尾，位于机尾中央。 不过，一些大型运输机以及早期的一些民机采用的是双垂尾（两片垂直尾翼位于平尾两端）甚至三垂尾布局。 比如全球最大飞机安-225运输机、著名的洛克希德“星座”系列客机、还有部分战斗机等。

　　▲ 由前苏联安东诺夫设计局研制的安-225运输机，最大起飞重量可达到惊人的640吨！巨大的双垂尾布局可保证飞机在驼载重型货物时有足够的稳定性。

　　多垂尾就是在单片垂尾面积有限的情况下通过增加垂尾数量来提供更大的方向舵面积和安定面面积。 好处是可以有效降低垂尾的高度。 限制了机身高度，便于维护，另外还增加了飞机的安全冗余度，即使其中一个垂尾失效了，还能靠另外一个继续飞。

　　▲ 洛克希德L-1049“星座”客机，采用了三垂尾布局设计

　　不过，后来飞机进入了喷气时代，多垂尾的设计就不流行了。 因为多垂尾会使飞机在亚音速状态下的气动特性变得复杂，增加飞行阻力。 而且双垂尾一般安装在水平尾翼的两端，这样势必得增加平尾的结构强度，同时多垂尾传动系统也较单垂尾来得复杂，因此多垂尾的设计会大幅增加飞机自身重量。 现代飞机讲究的是效率和经济性，因而除了像安-225这样的需要巨大气动负荷的巨形运输机以及部分需要高机动性能的战斗机之外，民用客机已经很少采用双垂尾或多垂尾布局的设计了。

　　本文转载自微信公众号：熊猫爱飞行

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