仿生學的又一勝利——「渦流衝浪」飛行技術

2020-12-27 翱翔的民機人

在自然界中,大雁在飛行時總是編隊飛行,有時呈"一"字形,有時呈「 V」字形。1914年,德國的空氣動力學家魏斯伯格首次提出大雁飛 V」字形可以節省能量這一假說。他認為,大雁翅膀扇動產生的渦旋,其外側正好是向上的氣流,當後方的大雁剛好處在上升氣漩裡,就會大大省力。

圖1. 雁陣V字行飛行

在飛行中,機翼翼尖處存在壓力差,會產生自下而上翻動的氣流,從而形成一對方向相反、高速旋轉的螺旋形渦流,向後、向下延伸。當與前機尾流區位置關係不當時,後機會出現飛機抖動、下沉、甚至翻轉等現象,特別是小型飛機進入前機尾流中,處置不當還會發生事故。以前飛行員的第一反應是避開尾流。儘管尾流危害巨大,但其蘊藏著巨大能量,如果飛機能像大雁利用尾流產生渦升力節省體力,那麼就能將尾渦流轉化成升力,降低燃油消耗率。

圖2. 雁陣飛行的空氣動力學原理

空客最近公布了它正在開展的民用飛機環保示範項目「Fellofly」,也就是通過兩架客機一前一後,像鳥類以「 V」字形編隊飛行,使尾隨機處於前機產生的上升氣流中,從而提高飛行效率,減少排放,發揮出1+1>2的效果,據稱可以降低燃油消耗5%到10%。其中的關鍵技術,是研發使尾隨機保持在正確距離和穩定高度的飛行員輔助系統,預計2020年能開發成功,屆時將採用兩架A350開展飛行測試,以期獲得客機在長航程時的高效率。

圖3. 空客民用飛機環保示範項目「Fellofly」

「Fellofly」項目並不是大雁編隊試飛這個「仿生學」技能的首次嘗試。早在2001年,NASA就使用F-18戰鬥機進行了雁陣效應試飛,證實編隊中尾隨機在某個高度某個速度下,其阻力減少了20%以上,耗油率降低18%以上。

2012年,經過數十年反覆總結經驗,積累參數,美國空軍在愛德華茲空軍基地完成了C-17運輸機的「渦流衝浪」編隊飛行測試。據說,在飛行品質幾乎未受影響的情況下,位於編隊後方的C-17運輸機平均節省了10%燃油。充分表明,編隊飛行可能比單獨飛行可節省大量的燃料和成本。

圖4. C-17運輸機的「渦流衝浪」編隊飛行

2016年,當兩架A380飛機在相距約3公裡編隊飛行時,發現尾隨機可以節省5%-10%的燃油,乘客的舒適度未受任何影響。

可以預測,「渦流衝浪」可能是未來的發展趨勢,因為它不僅最大限度地保證了機組人員和飛機的安全性,而且還能實現客機降低整體燃料消耗的目標。

圖5. 民用客機「渦流衝浪」飛行測試

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