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涨姿势 | 从鸟儿的小翅到飞机翼尖

涨姿势 | 从鸟儿的小翅到飞机翼尖 大飞机
2016-03-21
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导读:搭乘飞机的时候大家会注意到很多飞机在位于飞机机翼的翼梢,会有上翘的小翼或者是由上下小翼组成的装置,这便是飞机



搭乘飞机的时候大家会注意到很多飞机在位于飞机机翼的翼梢,会有上翘的小翼或者是由上下小翼组成的装置,这便是飞机的翼尖小翼


翼尖小翼(winglet或wingtip),又称作翼梢小翼、翼尖帆或翼端帆。翼尖小翼可有效地改善飞机燃油效率和增加巡航航程。




上世纪70年代美国国家航空航天局的空气动力学家R·T·惠特科姆从鸟翅膀尖部的小翅得到启发,提出了翼尖小翼的概念,在小展弦比机翼的翼梢处装一个小翼片,从而既提高了展弦比,又不会使结构质量和摩擦阻力增加很多。


翼尖小翼有什么用?


当气流流过机翼的上下两个表面时,所产生的气压差会在机翼产生向上的升力,当这种力大于飞机的重量时,飞机便能够在天空飞行。但这时机翼下表面的高压区气流会绕过翼尖流向上翼面,形成强烈的旋涡气流,当飞机飞得越快,所产生的涡流也越强,这样会增加飞行时的阻力和燃料的消耗。


翼尖小翼重新调整翼尖涡流,使其更加远离机翼外侧并上移至层流之上。加装翼尖小翼后,由其重新配位的小翼涡流在翼尖小翼周围产生交叉气流,此气流通常与流过机翼表面的气流垂直。由交叉气流产生的侧向力含有向前的分量因而产生阻力,翼尖小翼同时产生相应的推力,有效地减少飞行时的阻力和燃料消耗。


“硬性嫁接”导致毁誉参半


翼尖小翼的安装有直立或斜置等几种方式,有上单小翼、上下双小翼等布局形式。但都实现了油耗的改进。飞机制造商经过测试后发现翼尖小翼还可以改善巡航速度、爬升率并提高飞行高度。


翼尖小翼的概念最早可以上溯到19世纪初一位英国空气动力学家的构想,但这一概念一直停留在图纸上,直到上世纪70年代初油价开始高涨时,惠特科姆首次将其与真正的飞机联系在一起。


早期的翼尖小翼就是翼尖上简单的垂直小翼,但翼尖小翼的额外重量要求对机翼作额外加强,小翼本身的重量也间接增加了阻力。更有甚者,垂直的小翼和水平的机翼的转角处容易形成不利气动干扰,处理不好会带来额外阻力。所以早期翼尖小翼的应用毁誉参半,尤其是很多在现有设计上“硬性嫁接”的翼尖小翼,时尚和美观因素多于气动上的益处。


空客公司是在民用喷气飞机上使用翼尖装置的先驱之一。从其早期A300飞机开始,空客就开始使用翼尖装置,至今已有数十年的历史。A300和A310两款机型均装配有被称为“镖形”小翼的翼尖装置。随后,空客把在A300 和A310上所积累的经验应用在了A320系列飞机上。后来的A330、A340和A380机型上也陆续安装了翼尖装置(形状和大小不尽相同),空客新一代远程宽体飞机A350XWB飞机也装有翼尖装置。


著名的“鲨鳍小翼”


空客公司于2009年年底推出飞机融合式翼尖小翼的“鲨鳍小翼”,它是空客为最畅销的A320系列飞机进行的持续改进项目中的最新元素。鲨鳍小翼由复合材料制成,高2.4米。装配鲨鳍小翼的A320系列飞机可减少4%的燃油消耗。每年每架飞机可减少排放1000多吨的二氧化碳,这相当于200辆家用汽车一年的排放量。




除了节省燃油以外,鲨鳍小翼还能够为A320系列飞机增加100海里(185公里)左右航程,或者在同等航程情况下增加业载450公斤。而且,装配鲨鳍小翼的A320系列飞机拥有更好的起飞性能,越障和爬升能力得到大幅提高。例如装配鲨鳍小翼的A321飞机可以在起飞后直接爬升到比普通A321更高的初始巡航高度。另外,由于阻力减小,发动机在飞行时的平均推力随之减小,发动机养护成本也随之降低。


鲨鳍小翼是现款A320系列飞机的选装配置,A320neo系列飞机的标准配置。目前已有40余家客户选择订购装配鲨鳍小翼的A320系列飞机;从2013年1月1日到5月14日,空客向遍布全球的客户交付了47架装配鲨鳍小翼的A320飞机。同时空客公司还为客户提供鲨鳍小翼改装服务,为客户已有的A320系列飞机改装更加先进、高效的鲨鳍小翼。


去年11月2日总装下线的国产大型客机C919的小翼设计也很独特,不少网友评价设计用心,似弯刀。




为什么787没有翼尖小翼


作为波音最先进机型的787为什么看上去似乎并没有常规的翼尖小翼。确实如此,波音787的翼尖装置,既不向上弯折,也不向下弯折,更不是像一些客机似的,上下都弯折。波音787的翼尖装置叫做“斜削式翼梢”或者“斜削式翼尖”。


虽然名字不同,但这些其实都是翼尖装置的一种而已。据称,根据波音和美国国家航空航天局的试验结果,斜削式翼尖能够降低高达5.5%的阻力,相比之下,传统翼尖小翼的减阻效果为3.5%-4.5%。相关研究表明,相同长度的斜削式翼梢与翼尖小翼相比,前者的效率更高。




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