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民航客機為什麼不用雙垂直尾翼?

2018年09月05日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 6 ℃ 次

【airbunny的回答(226票)】:

對於為什麼要在民航機裡採用雙垂尾的理由,既然提到JAL123,那麼出發點一定是希望在結構上採取冗余設計以便提高飛機的可靠性吧?雖然對於航空器可靠性設計來說,大就是好,多就是美,口徑即正義,炮塔即真理(什麼鬼,飛不起來了……)但不是說什麼結構都以冗余設計為第一優先考慮的。如果冗余帶來的好處有限而帶來的麻煩更多,那麼冗余設計就不會是設計人員的考慮了。

多垂尾的好處是,在單片垂尾面積有限的情況下可以提供更大的方向舵面積和安定面面積,也因此可以有較低高度的垂尾,限制了機身高度,便於維護。至於結構冗余,屬於附屬的好處了。所以在過去民航機速度較低的時代,確實出現過多垂尾的客機的~

比如有名的Lockheed Constellation,三垂尾

以及曾經改造過客機型的An-22,雙垂尾以及曾經改造過客機型的An-22,雙垂尾

然而進入噴氣時代,這個設計就不流行了。因為傳統的亞音速客機都是較窄的圓柱截面機身,故此無法像戰鬥機一樣在機身上佈置雙垂尾。因此要採取雙垂尾,就必須使用H型尾翼設計。也就是說,垂尾安裝在平尾的翼尖處。對於低速飛機來說還好,對於高亞音速的現代客機來說,因為平尾都有一定後掠角而不是平直式,如果在平尾翼尖上加了這麼一大坨東西,結構設計立刻會變得麻煩-尤其是機翼洗流的擾動可能因為垂尾而影響到平尾,從而鬧出一些不可預見的問題。同時,現代的客機水平安定面並不是裝死在機身上的,而是可以對安裝角進行細微的調整,以便針對不同的貨物安放位置以及速度進行配平--如果採取雙垂尾設計的話,原本只需要帶動水平安定面的機械結構如今還要帶動垂直尾翼,結果只能做得更加笨重--你看既然雙垂尾有這麼多不便之處,今日還有什麼理由採用它呢?然而進入噴氣時代,這個設計就不流行了。因為傳統的亞音速客機都是較窄的圓柱截面機身,故此無法像戰鬥機一樣在機身上佈置雙垂尾。因此要採取雙垂尾,就必須使用H型尾翼設計。也就是說,垂尾安裝在平尾的翼尖處。對於低速飛機來說還好,對於高亞音速的現代客機來說,因為平尾都有一定後掠角而不是平直式,如果在平尾翼尖上加了這麼一大坨東西,結構設計立刻會變得麻煩-尤其是機翼洗流的擾動可能因為垂尾而影響到平尾,從而鬧出一些不可預見的問題。同時,現代的客機水平安定面並不是裝死在機身上的,而是可以對安裝角進行細微的調整,以便針對不同的貨物安放位置以及速度進行配平--如果採取雙垂尾設計的話,原本只需要帶動水平安定面的機械結構如今還要帶動垂直尾翼,結果只能做得更加笨重--你看既然雙垂尾有這麼多不便之處,今日還有什麼理由採用它呢?

啊,呸呸呸,已經編不下去了。從技術角度說了這麼多,其實根本沒觸及到最根本的原因:

在今日幹線客機的設計構型已經確定成熟的情況下,飛機製造商根本沒有熱情去開發新的客機構型,也承擔不起新構型的開發風險。

你說前面的那些技術上的理由blabla的,可是總是有例子來打臉。比如An-225就是雙垂尾啊,他還是超巨無霸機啊!

哦,你說繪裡姐的親戚們都是戰鬥民族膽大包天,那麼沒那麼膽大的美國人也有三垂尾版的747來運航天飛機啊!哦,你說繪裡姐的親戚們都是戰鬥民族膽大包天,那麼沒那麼膽大的美國人也有三垂尾版的747來運航天飛機啊!

人家根本沒拿這些問題當回事啊!人家根本沒拿這些問題當回事啊!

然而就像世人阻止不了那些激動的工程師們搞出這樣的怪物,那些激動的工程師們也沒法說服躲在橡木辦公桌後的系統工程師 & 資本家們在下一個幹線客機項目裡採取這樣的設計。

確切的說是,這幾十年來都已經沒有人敢採取越界的設計了。

自Boeing 707以來,無論Boeing、MD、Ilyushin,無論東西方陣營,民航幹線客機的設計風格就幾乎沒有變過:常規佈局、傳統的尾翼設計、後掠翼+翼吊發動機。

*第一排左起分別是Boeing 707、A300、IL-96。第二排左起分別為Boeing 767、A340、A350

即使稍微有些變化,也無非是T tail or 後置發動機,或兩者的組合。

*左起分別為DC-10、Boeing 727、Tu-154

比起軍用機,尤其是戰鬥機千變萬化的設計來說,民航機的設計要單調和保守得多。這是自然的。因為軍用機的任務是不惜一切代價完成各種錯綜複雜的戰鬥任務。而幹線客機的任務只有一個--用最低的成本和最高的可靠性把乘客 or 貨物送到目的地。

最低成本,最高可靠性,在這個幹線客機傳統設計已經非常成熟的時代裡,幾乎任何與傳統不同的更改都與這兩者不相容。

作為高度複雜的系統,在飛機上採用任何全新的設計都意味著巨量的研發開支和週期。有些外人看起來並沒有什麼的小改動,有可能意味著非常大的工作量。同時,民航業發展到今日,行業標準已經非常嚴苛,對可靠性的要求極高--昔日幹線客機可以無緣無故空中飛掉一台發動機仍能取證,今日這麼干飛機製造商直接破產算了。既然如此,製造商們如何證明自己打算在飛機上使用的新技術足夠可靠,能通過適航認證呢?顯然,這又意味著巨額的研發開支和可能失控的研發週期。倘若新技術的引入能對用戶帶來巨大的好處(對製造商來說就意味機型更受歡迎)也就罷了,如果帶來的好處寥寥,誰願意去冒這個險呢?

所以現在的飛機製造商更喜歡的發展道路都是針對現在的常規構型進行特別有針對性的細微修改啊,有很多修改甚至是無法被非專業人士留意到,甚至無法被客戶注意到的。

比如A320neo換了個發動機和翼盒就敢說是換代產品;

比如Boeing 737-600修正了前代的各種Bug就敢自稱Next Generision;

比如Boeing 777設計之初的方案之一居然有在767的機身後段加一節757機尾的奇怪設計。

至於尾置發動機啊,T tail啊這些曾經可以作為主流的設計,甚至協和Tu-144這樣詭異的設計都是異端啊要燒死燒死燒死!

因為大家都害怕了啊!因為大家都害怕了啊!

當年Boeing開發巨無霸機747幾乎就把自己弄成破產--雖然他僥倖成功了。後來開發敢雙發越洋飛行的777時巨量的開銷又差點把自己玩破產了--雖然又僥倖成功了。動靜已經非常大的787(雖然主要改動在結構和材料上),儘管現在賣得不錯,一度也讓Boeing擦屁股擦得非常狼狽啊。至於一開始就喜歡引入電傳飛控和高性能自動駕駛儀的Airbus,在80-90年代在航展上當眾摔過A320,讓東德的A310飛過眼鏡蛇,讓華航的A300兩次拍死在跑道上,還讓法航的A330不明不白的掉到大西洋裡。就算靠著法務部門的努力把責任推得一乾二淨,小心臟還是被嚇得不行吧。

既然如此,誰還有心情去搞太與眾不同的設計啊。

其實這麼多年來各家飛機製造商不是沒有開過各種腦洞啊,這2、30年來奇奇怪怪的客機設計不是沒有出現過。像Boeing的Sonic Cruiser就進入了嚴肅的開發階段(雖然最後下馬了)。而其他的腦洞和構型一直也沒停下來過啊。

你看看這些腦洞裡,H tail算什麼啊。而且骨子裡,這些技術問題都是可以解決的--如果不考慮載客的話。實際上An-225也好,Boeing 747的航天飛機載具也好,或者更奇葩的A300-600ST,哪個樣子不怪?然而讓一個激進設計可以飛飛特定的情況和飛商業航線,差的路可不止一點半點。除非設計方已經有了非常深厚的技術積累,否則誰也不想輕易在實際的客機型號中嘗試--哪怕是面對非常大的經濟效益。至於雙垂尾這種本身好處就非常有限的設計……咱們還是說說世界和平的問題吧。你看看這些腦洞裡,H tail算什麼啊。而且骨子裡,這些技術問題都是可以解決的--如果不考慮載客的話。實際上An-225也好,Boeing 747的航天飛機載具也好,或者更奇葩的A300-600ST,哪個樣子不怪?然而讓一個激進設計可以飛飛特定的情況和飛商業航線,差的路可不止一點半點。除非設計方已經有了非常深厚的技術積累,否則誰也不想輕易在實際的客機型號中嘗試--哪怕是面對非常大的經濟效益。至於雙垂尾這種本身好處就非常有限的設計……咱們還是說說世界和平的問題吧。

航空公司不是慈善組織,就想踏踏實實掙點錢,乘客們也不是神風特攻隊員,就想舒舒服服的出次行。所以飛機製造商哪裡願意隨意上非傳統構形啊,

還是一起悶聲發大財吧~

【曲線最短的回答(3票)】:

雙垂尾戰鬥機一般多為雙發,為提高垂尾的偏轉力矩採用雙垂尾;運輸機An-225使用雙垂尾是因為機體背部要承載暴風雪號航天飛機。(An-225就是為了這個設計的)

如果使用單垂尾,背部的暴風雪號會阻擋垂尾,所以才設計成雙垂尾。這是在這個前提下採用了雙垂尾。雙垂尾的缺點樓上專業人士已經解答,所以無特殊要求,一切從簡,系統結構的簡單帶來了可靠!

【張肖如的回答(3票)】:

垂尾的基本作用就是提供足夠的偏航穩定性,只要穩定性足夠,一切從簡。不過單垂尾在結構上並不是一定,絕對比雙垂尾簡化,戰鬥機,尤其是重型的,氣動復合大的,要求大迎角的,假如用單垂尾恐怕要造的很大,本身舵面氣動效率就低,改成全動更加複雜,不如用小的雙垂尾代替。民航不做機動要求,所以綜合考慮單垂尾最佳。

【XiYang的回答(0票)】:

垂尾承受氣動載荷,需要連接到飛機的主承力結構上。

現代使用雙垂尾的戰鬥機,看起來是一個機體,實際的結構卻是類似於 @龔正的第二張圖裡左下角那倆:尾部是兩個梁,每個梁帶一個垂尾和平尾。然後發動機夾在兩個梁中間。

這與客機是非常不同的。現代客機都使用非常「正常」的結構,中間是單一的半硬殼機身,沒有分成兩叉。你要是想放雙垂尾,就得額外弄出倆結構來,產生重量代價。

【AirCraft的回答(0票)】:

像那次事故一樣的話,有幾個垂尾都得掉。

客機雙垂尾,……,想不到一點好處。

【龔正的回答(1票)】:

An-225採用的是雙垂尾:

民機中雙垂尾也是可考慮的佈局方案的一種啦:

但最終採用哪種方案就要綜合其他答案提到的各種因素了。現在的權衡方案還是客機傾向於正常式(standard tail),運輸機傾向於T-tail。未來超音速客機為了降噪,也許會用雙垂尾喲。

Taking the Sonic Boom Out of Supersonic Flight

【ZhouLucas的回答(1票)】:

一切從簡,一切從簡,一切從簡!

重要的事情說三遍!

【柴健翌的回答(3票)】:

因為需要加強平尾的結構強度,不然承受不住垂尾產生的氣動力矩

此外這樣設計需要把操縱管線引到平尾兩端,結構也更複雜

還有平尾需要旋轉,把強度和複雜度的問題更惡化了

最後發動機和大翼產生的亂流對雙垂尾的影響更大

然後我想問這樣設計有任何好處麼?

什麼好處都沒有,憑空惡化性能提高成本,有卵用?

【野比大雄的回答(3票)】:

重量增大,費油,費錢。

阻力增大,費油,費錢。

操縱系統變複雜,費錢。

我能想到的就這麼多。

【kevinkiven的回答(3票)】:

掉了尾翼就要多加尾翼?那發動機掉了是不是就得多加發動機啊?

【zimuchen的回答(0票)】:

日航123的主要原因應該是垂尾撤掉之後,三套液壓管道全部破損,飛機喪失了液壓系統也就基本失去控制了

現在採用雙垂尾的大型機主要是機背要駝大件貨物 例如航天飛機。如果採用單垂尾,垂尾的氣動作用會被大大削弱,所以才改用雙垂尾

【我看看的回答(0票)】:

圓形輪子被發明出來之前有人試過方形,三角形,各種,最後發現還是圓形靠譜,於是後來都是圓的了,

【7G773的回答(0票)】:

成這樣就好了?

標籤:-航空 -飛機 -空難 -民航


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