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为什么空客A380客机不能满油起飞


战斗机为了追求最大航程,在减少武器携带量和携带外挂副油箱的情况下是可以满油起飞的,但是空客A380大型客机起飞时油箱是不能全部加满的。也许有人会认为原因是航空公司会根据实际航程,旅客数量和货物的重量来综合考虑最终的经济载油量。是的,这些因素都是航空公司要考虑的,但是实际情况是就算是一个乘客都没有,一点货物都不载的情况下也是不能把所有的油箱都加满油起飞的。这是飞机在设计阶段综合平衡的结果。


大型客机油箱的布置


我们先来了解一下现代客机的油箱布置。


现代大型客机的油箱布置如上图所示,中央油箱一般布置在飞机重心附近,机体前后一般还布置有附加中央油箱,与此同时,在机翼翼盒内部还布置有机翼油箱。机翼油箱一般有内外连个,左右对称布置。


A380空重361吨,最大起飞重量560吨。油箱容积有310000升,按照航空燃油的密度0.8 Kg/升来计算,所有油箱加满能加油248吨,但是事实上A380从来就不可能加这么多的油起飞。


原因的从A380的机翼设计说起。


A380的机翼设计


A380翼展接近80米,这还是因为受到机场硬件条件的限制,为了在地面安全运行而作的设计折中,项目初期空客甚至计划把翼展增大到90米以换取更高的气动效率,达到提高燃油效率的目的。A380的机翼强度按照最大起飞重量650吨的标准来设计,为将来的改型留出余量。

A380采用了碳纤维增强复合材料的中央翼盒结构,在最大载荷下,翼盒上翘变形量超过了3米。复合材料机翼翼盒在设计是主要考虑的是飞行状态,在飞行状态的时候机翼要承载整个机身的重量,所以机翼翼盒在设计是会有一个向下的预应力。大家可以参考一下预应力钢筋混泥土结构,受力方向一定不能搞错,否则不但强度大大减小,而且变形量也会非常大。如果在机翼上部施压一个同样大小向下的力,你会发现变形会更加厉害,而且能够承受的最大负荷会更小


  A380复合材料左翼盒进行结构载荷测试,可以看到在最大载荷下机翼的变形情况接近两人高度(肯定超过3米)(图片来自维基百科)


下图是停机坪状态下的A380客机,可以清晰的看到由于机翼自重以及发动机和发动机吊舱的重量影响下,机翼已经开始翼尖下垂了。再强调一下前面的内容,由于预应力设计,飞机机翼如果受到从上往下的力,变形会非常明显。所以地面状态下的A380燃油主要在身机油箱里面,机翼油箱特别是机翼外侧油箱是不能加油的,否则由于机翼油箱燃油的重量,翼尖下垂会更明显。民航法规对发动机短舱离地最小距离是有规定的。A380客机如果机翼油箱加满油就不能满足法规的要求,起飞和降落时存在发动机短舱和翼尖擦地的风险。


波音737客机最早投入使用的时候,大涵道比涡扇发动机还未投入使用,发动机直径较小,所以波音737起落架高度较低。随着燃油经济性的要求越来越高,发动机直径越来越大,为了满足民航法规最小离地间隙的要求,波音737的改进型飞机不惜把发动机短舱设计成扁平的形状。如下图所示。


飞行状态下的A380燃油分配


飞行状态下的A380,机翼要承受整个飞机的重量,机翼自然就会向上翘曲变形,请参考上面翼盒进行载荷测试的图片。机翼翘曲变形轻则影响气动效率,重则影响飞行安全。这个时候燃油泵会把机身的油箱的燃油抽到机翼油箱来平衡机翼的变形。燃油系统会根据燃油消耗导致的飞机重量的变化,自动的分配机体油箱和机翼油箱的燃油量,这个过程是动态的。刚起飞的时候飞机自重最重,这时候就会有更多的燃油到机翼油箱里面去。随着燃油的消耗,飞机重量变轻到一定程度,机翼油箱里面的燃油就会减少。飞机降落的时候,一般来说机翼油箱的燃油基本耗尽,只有机身油箱有一定剩余的燃油。


飞行状态下的A380,机翼翼尖没有明显的上翘变形。


也许有人会问,把机翼设计的足够强,没有变形不就什么问题都解决了吗?问题在于飞机机翼是典型的悬臂结构,悬臂结构的强度问题相对容易解决,但是刚度问题解决起来就不容易了。强度就是能够承受载荷不失效,简单点说,具体到飞机机翼上面就是机翼能够承载整个飞机的重量不断;刚度就是机翼承受载荷后的变形要控制在一定范围内,飞机机翼的变形就是典型的刚度设计问题。刚度问题解决起来比强度问题要复杂多了,需要付出巨大的结构重量的代价。对于飞机来说,每公斤的重量都是非常宝贵的,直接关系到飞机的经济性。最终,飞机设计师选择了通过燃油来平衡机翼的刚度,大大降低的飞机机翼的结构重量。


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