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飞机上的翼梢小翼

很多客机的翼尖都会竖起一个被称作“翼梢小翼”的物体,像极了一个人水平撑起双臂后立起的手掌,给飞机增加了不少美感。法国飞机设计大师达索曾说过“漂亮的飞机其性能一定差不了”。那么,为飞机外型增色的翼梢小翼是从什么时候开始出现在飞机上的?它们又能够对飞机的性能带来怎样的影响呢?

个头儿虽小,辈分却很高

虽然早期的客机普遍没有翼梢小翼,而且小翼通常会被当作闪亮的新科技成为飞机制造商的宣传重点,但实际上翼梢小翼的历史可回溯到莱特兄弟的飞机上天之前,可算是飞机的长辈。早在1897年,英国空气动力学家兰彻斯特(没错,就是那个提出军事运筹学中的兰彻斯特方程的那个人)在详细解释了机翼升力产生的原因之后不久就提出了在翼尖处加装端板以改善机翼空气动力学特性的想法。

飞机上的翼梢小翼

这就是兰彻斯特。话说拍个照拍成这个样子,这是要被雕刻到硬币上的节奏啊。不过,按贡献来说,他早已够资格刻到硬币上了。

1891年,兰彻斯特写了一篇文章,指出重于空气的飞行器是可行的。1894年,他成功地解释了机翼产生升力的原理,比德国的库塔和俄国的茹科夫斯基要早一些,不过库塔和茹科夫斯基的公式更好用,以至于空气动力学里面用“库塔-茹科夫斯基”的名称来命名了相关的公式。1915年,兰彻斯特针对有限翼展机翼升力计算提出了附着涡和自由涡的概念。奠定了升力线理论的基础,还指出了湍流这个现象将会是个很难处理的问题。

飞机上的翼梢小翼

兰彻斯特在1927年推出的油电混合动力汽车概念车,现存放于伯明翰自然科学博物馆。

可惜,囿于航空材料和加工工艺的限制,兰彻斯特提出的翼梢小翼的概念还不能很快得到应用。在那个年代,翼梢小翼对飞机升阻特性的改善无法胜过其给飞机带来的额外重量。该设计只能停在图纸上。

飞机上的翼梢小翼

飞机上的翼梢小翼

1944年11月6日首飞的纳粹德国He 162 战斗机的翼尖使用了类似现代翼梢小翼的设计。这算是一次较早的尝试。

直到兰彻斯特死后30年的1976年,美国NASA兰利研究中心的惠特科姆博士才重新提起翼梢小翼。同年,波音公司立即在波音707运输机改装而成的KC-135空中加油机上进行了试验。小翼的重生一方面是由于上世纪七十年代爆发的能源危机使人们意识到了节油的必要性,另一方面是惠特科姆的个人影响,这个曾提出过跨音速面积律和设计出超临界翼型的人给出的建议无论如何也是值得一试的。

飞机上的翼梢小翼

这就是惠特科姆博士。他对航空航天领域的贡献有三个:一是提出了跨声速面积律(也就是说,腰不细的飞机,在超声速的过程中会很艰难);二是发明了超临界翼型;三是发明(或者叫重新提出)了翼梢小翼。飞机上的翼梢小翼

惠特科姆博士在1976年向NASA提交的翼梢小翼设计初稿。飞机上的翼梢小翼

数据表明,KC-135在加装小翼后,最大飞行高度增加了3.4%,升力系数增大了4.88%,巡航状态升阻比提高了7.8%,航程增加了7.5%。这次试验肯定了翼梢小翼的价值,此后翼梢小翼开始大量出现在大型客机和运输机上。图为在1979年到1980年期间,进行了翼梢小翼测试的那架KC-135。飞机上的翼梢小翼

近距离看当年的那架KC-135,能够在翼梢小翼外侧看到用于观测气流情况的小条条。小翼挡涡流,诱导阻力小

小翼是怎样对飞机性能施加影响的呢?这一切要从“诱导阻力”和“翼尖涡流”说起。诱导阻力是飞行阻力的一个组成部分。大型飞机在亚声速状态下巡航时,诱导阻力约占总阻力的40%。正常飞行的飞机,其下翼面的压力必定要大于上翼面,这个压力差便是升力的主要来源。

飞机上的翼梢小翼

在翼尖处,该压力差迫使空气从下翼面卷向上翼面。伴随飞机的向前飞行,上卷的气流会从翼尖向后拖起一条长长的涡流。涡流耗散着飞机的能量,像无形的绳索一样拽着飞机,努力使飞机的速度减下来,这便是诱导阻力的成因。飞机上的翼梢小翼飞机上的翼梢小翼

从飞机后部向机头看去,左侧翼尖涡流呈顺时针方向转动,右侧则为逆时针方向。这样涡流对正后方的飞行器产生一个向下的压力,而对侧后方的飞行器产生向上的抬升力。大飞机飞过之后,会在身后形成一个肉眼难以察觉的强大涡流,其他飞机(尤其是小型飞机)一旦卷入其中,轻则颠簸不已,重则机毁人亡。因此,机场对飞机的起降间距有着严格要求。飞机上的翼梢小翼不过,翼尖涡流也有好的一面。迁徙的雁群同样要遵守空气动力学的规律,大雁翅膀的“翼尖”也会产生涡流。机智的大雁懂得飞在头雁的侧后方排成人字或者斜一字以利用强壮的头雁产生的涡流。

飞机上的翼梢小翼

飞机上的翼梢小翼

不过,客机一般不会以机群编队的形式飞行,翼尖涡流还是小一些为妙。翼尖涡流和诱导阻力是机翼为了产生升力而付出的代价,要想既保持上下翼面的压力差又不让气流从下翼面向上卷,就只好把机翼做成无限长,让气流找不到翼尖。当然,无限长的机翼只是个空想,任何三维空间中的机翼都难以摆脱翼尖的存在。于是退而求其次,把机翼做得足够长,让翼尖处的气流卷动相对于整条机翼来说变得不那么明显。把机翼延长半展长(指从单侧机翼从翼根到翼梢的距离)的10%,诱导阻力会减小17%。但机库大小和机翼结构的限制使机翼不能做得很长。只能再求其次,把延长的机翼向上折叠,这就形成了翼梢小翼的样子。理论上,翼梢小翼的高度如果是半展长的10%,诱导阻力会减小10%,虽然没有延长翼展的效果那么好,但终归是个可行方案。飞机上的翼梢小翼飞机上的翼梢小翼飞机上的翼梢小翼

现代小翼在继承了早期小翼阻挡翼尖绕流的能力后,还通过巧妙的设计来引导涡流,将一个大涡流分散为多个相互缠绕并相互耗散的较小的涡流。飞机上的翼梢小翼

目前客机上的翼梢小翼主要分为两大流派:一是单段式(如波音747-400),另一个是上下双段式(如空客A310-300、A-380)。图为维珍航空的波音747-400。飞机上的翼梢小翼

南非航空的一架波音747-400的翼梢小翼特写。小翼根部为红色的左侧航行灯。飞机上的翼梢小翼

A310-300飞机上的翼梢小翼

A380飞机上的翼梢小翼

单段式小翼通常会设计一个外倾角给飞机带来附加升力,但同时也会给翼根带来较大的附加弯矩。由于小翼通常按巡航状态设计,当飞行距离较短的时候,小翼的优势相对于给机身增加的重量和给翼根增加的弯矩来说就不明显了,专门为日本国内航线设计的波音747-400D因航程太短就取消了翼梢小翼。图为全日空日本国内航线使用的波音747-481D。

双段式小翼有时也被称作涡扩散器。这种小翼专注于对涡流的阻挡和分割,往往垂直于主翼面,无法产生附加升力,但因为不会带来额外弯矩,此种小翼对机翼的结构没有过高要求。两种小翼的优劣不好比较,可谓是见仁见智。即使是波音和空客两大巨头在对翼梢小翼的选取上也没有一定之规。早期的波音飞机倾向于单段式小翼,而早期空客系列却青睐双段式小翼。

飞机上的翼梢小翼

但是,2012年公开的波音737MAX的双羽状小翼与早期空客A320-200系列的双段式小翼却有几分相似。飞机上的翼梢小翼而如今空客A320neo则以“鲨鱼鳍”式单段式小翼替换掉了A320系列客机曾经标志性的双段式小翼。这有避免过长的下方小翼在极端条件下触地的考虑,但也反映了在对小翼形状、尺寸、外倾角这个多变量问题进行多约束条件优化时的多样性。飞机上的翼梢小翼飞机上的翼梢小翼飞机上的翼梢小翼

以空客A350XWB和波音787为代表的高度融合小翼则又表现出了一种趋同:以较大曲率与主翼融合的小翼使人们很难判定主翼和小翼的确切分界。理想的高度融合小翼在明显削弱机翼展向流动的同时还能产生一个附加的侧向力。这个力的分量一部分增加了飞机的升力,另一部分则进一步抵消阻力。

飞机上的翼梢小翼

另外还有其他形式的翼梢小翼,如C型小翼和螺旋式小翼。C型小翼在原单段式小翼的顶部增加一段水平小翼,可进一步减小诱导阻力。这种小翼还能帮助飞机突破跨音速的勺型区,消除副翼反效的危险。螺旋式小翼则在翼尖形成一个闭合的圆环,以两个相互支撑的单段式小翼的构型增加了翼尖的强度和削弱尾涡的能力。上图为达索猎鹰50公务机。飞机上的翼梢小翼

这些翼梢小翼虽不能像老鹰那样对翼尖羽毛的扭转进行控制来控制涡流,但已使飞机变得更加高效和环保。每架装有鲨鱼鳍小翼的空客A320每年可减少1200吨碳排放。2010年,APB宣布他们的融合式翼梢小翼技术替全世界航空公司节约了2亿加仑燃料(意味着节省了40亿美元的开支和减排了2150万吨二氧化碳)。升阻性能的提高使飞机在起降阶段对发动机的要求降低,这就意味着更小的噪声和更高的安全裕度。尾涡的减弱会使飞机的起降间距变小,给全球机场每年带来大量额外收益。飞机上的翼梢小翼

在一些风力发电机的桨叶上,我们也能找到翼梢小翼的存在。

飞机上的翼梢小翼

带有大尺寸翼梢小翼的一架PA-28

飞机上的翼梢小翼

X-48B尽管机身设计款,但翼梢还是很眼熟的。飞机上的翼梢小翼

图-204,翼梢小翼为其带来了不少现代感。

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