小身材有大力量,簡介客機上的翼尖小翼設計

2020-12-15 飛行視界

如果你乘坐飛機出行,座位恰好毗鄰窗戶,可以看到飛機的機翼。那麼在欣賞窗外美景的同時,是否曾注意到機翼兩端不同形式的翼尖小翼造型呢。事實上,幾乎所有的民航客機都有翼尖小翼的設計,只不過小翼有各種各樣樣式。波音將其稱為翼梢小翼——Winglets,而空客的小翼則一般稱為鯊鰭小翼——Sharklets。

那麼兩者的作用是否一樣,飛機又為什麼要在機翼的兩側加裝小翼呢?

一架波音737-800的翼尖小翼設計

翼尖小翼Wingtips的作用

飛機在飛行時的升力來自於機翼上下表面的壓差。根據流體力學原理,在質量相同的情況下,由於機翼上表面的曲度更大,所以導致機翼上方的空氣流速比機翼下的空氣流速高,進而使機翼下方的壓力大於機翼上方的空氣壓力,從而產生了升力。

融合式小翼設計讓渦流和阻力更小
翼尖小翼原理圖

然而,當空氣流向機翼尾部時,上下表面的兩個壓力區在這裡匯合,下翼面的高壓空氣會繞過翼尖流到上翼面,這樣在匯合處產生了一系列的螺旋氣流,一般被稱為翼尖渦流。

翼尖渦流越大,產生的阻力就越大,導致整體的飛機升力下降,同時也讓飛機的穩定性下降。

因此,飛機製造商和航空公司都希望以某種方式解決問題,採用某種設計減少翼尖產生的渦流。經過設計人員的研究論證,重新將一個曲線表明與翼尖混合在一起會顯著影響渦流的大小,從而顯著縮小空氣湍流的範圍,降低產生的阻力。添加的曲面就好像是一堵牆,可以重新引導空氣的流向,減弱翼尖渦流現象。

大部分客機上,翼尖小翼都是重要的設計

波音的翼梢小翼

1973年,中東石油危機重創了航空業,讓飛機燃油價格飆升。飛機燃料霎時變成了一種高級商品,導致航空公司意識到需要認真對待每一滴燃油。同時,航空公司也把這種思想傳遞給了製造商。

在與美國宇航局(NASA)的合作下,波音(Boeing)等飛機製造商開始試驗降低飛行阻力、延長燃油使用效率的方法。在一籌莫展了很長時間後,他們偶然注意到,大自然中的遷徙鳥類的羽毛一般都會有翼尖,並在翅膀的末端上下彎曲。研究發現,這樣彎曲的翼尖羽毛減少了阻力,從而產生了更大的升力。

國航一架737-700融合式小翼設計

1988年,波音公司率先在其波音747-400上推出了翼梢小翼的設計(當時叫做斜側翼,angled winglet),但在後期的試飛數據中,這個設計其實並沒有起到多大的效果。直到灣流公司在其飛機上採用了「融合式小翼blended winglet」的設計,這項技術才真正被得廣泛應用。融合式通過一段光滑曲線表明與機翼相連,在角度上稍微向外傾斜。之後,波音公司將融合式小翼應用在了737、757、767型號的研製中,可以說是早期B737NG系列的標準配置。

空客的鯊鰭小翼

2002年,歐盟啟動了一個名為「先進機翼技術研究」 Aircraft Wing with Advanced Technology Operation (AWIATOR)的項目。這個項目旨在如何使用先進設計理念和製造技術來減少飛機的阻力,燃料消耗,以及降低機翼的尾部渦流。實際上,空客公司從2000年就開始針對小翼設計進行設計驗證,但直到2006年還沒有成熟的解決方案。

空客在一份2006年的總結報告中提到:

「關於A320小翼測試的最新研究結果表明,雖然小翼的安裝讓飛機在巡航的阻力有所改善,但支撐小翼需要額外的結構重量,在很大程度上抵消了其帶來的升力增益。」

春秋航空A320上的鯊鰭小翼

直到2011年,空客才推出了其翼尖設計,被稱為Sharklets鯊鰭小翼。但是Aviation Partners(融合式翼尖的專利擁有公司)認為空客抄襲了他們的想法,鯊鰭小翼的設計與他們最初使用的融合式翼尖模型的設計完全一致,所以向空中巴士公司提出了法律訴訟。最終,空客被裁定敗訴,並向Aviation Partners公司支付了一筆不小的賠償款。

兩者的區別?沒有區別!

除了外包裝和設計之外外,這兩種類型的翼尖小翼其實本質上並沒有真正的區別。它們在設計上非常接近(空客也被證明確實侵犯了專利設計),所以在這一點上,空客和波音並沒啥爭論的,兩者本質是一樣的。

然而,我們需要知道的是,翼尖小翼是早期飛機低效機翼設計而催生出的解決方案,是一種彌補性設計。在現在,一個設計優秀的的民用航空飛機機翼可以完美解決機翼末端的壓力差問題,而不需要在機翼末端額外安裝任何東西。

相關焦點

  • 翼尖如何提高飛機燃油效率
    波音公司是第一家在其飛機上安裝翼尖的商業航空製造商自1980年代中期將其引入商業客機以來,機翼尖端的設計就隨著航空公司追求減少燃油消耗而不斷發展。翼尖到底是什麼?「翼尖」是指飛機機翼的尖端,離機身最遠的部分。雖然早期的飛機設計並沒有充分改變翼尖的潛力,但現 代飛機採用了各種改進措施來提高效率。
  • 有水桶環形的 還有倒著長的
    在大迎角飛行時,氣流沿後掠翼的展向流動,導致邊界層向翼尖堆積,造成翼尖首先失速,引起升力中心向翼根方向移動,造成機頭進一步上揚,最終導致整個機翼失速。前掠翼則不同,翼尖處於「乾淨」的氣流中,邊界層堆積發生在翼根,升力損失小,而且副翼保持有效的橫滾控制。前掠翼要到差不多整個機翼都失速的時候,才有翼尖失速的問題,比後掠翼進入失速要晚很多,有利於增強機動性。
  • 從DC-10到MD-11,三發噴氣式客機再進化之旅
    MD-11稍微大一些,擁有較長的機身經過修改的主翼,並增加了翼尖小翼,翼切面也有所不同。MD-11換裝了新型發動機,在材料上也引入了更多的複合材料,駕駛艙也更換為數位化系統。圖、荷蘭皇家航空公司塗裝的MD-11通過規格表我們得知,MD-11在單級艙位布局下可以容納410名乘客,DC-10在單級艙位布局下可以容納380名乘客。
  • 彩虹92A無人機首次打開歐洲市場,價格便宜,設計卻多有創意
    這款無人機尺寸較小,翼展只有10米,而翼龍1則有14米,差距巨大,如何在一個比較小的尺寸和重量限制下,設計出一款儘量高性能,高可用性的飛機,這對設計師來說,是一個不輕鬆的挑戰,下面讓我們看看這款飛機的基本設計。
  • 以及你不了解的飛機小知識
    除了後斜以外,許多機翼上面還有彎曲的尖端部分,這個部分叫做翼尖小翼,飛機在飛行時,機翼上和機翼下的表面會有壓力差,這種壓力差會產生翼尖渦流,有點像是小型的龍捲風,翼尖渦流會導致飛行的速度下降,加速燃料的消耗,增加二氧化碳的排放,並且造成安全問題。如果另外一架飛機尾隨在產生渦流的飛機後方,那麼該架飛機可能會失去穩定性並發生事故。
  • 機車知識科普:MotoGP小翼是什麼?小翼如何使摩託車更快?
    去年是摩託車空氣力學設計大爆發的一年,很多源自於MotoGP的空氣力學技術,被廣泛的應用到民用車型當中,其中最令人印象深刻的莫過於摩託車兩側的「小翼」,那麼這個裝置到底起到什麼作用,看下去你就知道了。雖然小翼能夠解決下壓力的問題,但是有人發現小翼的翼梢有危險,有人稱之為「刀具」,所以一段時間當中很多賽事禁止使用這個裝置。一年後,FIM技術總監Danny Aldridge指出,他和製造商都不希望規則如此嚴格,以至於迫使所有整流罩看起來都一樣,因此規則再度被放寬,空氣力學小翼得以回歸賽道。
  • 東德Baade-152噴氣式客機,二戰德國出口轉內銷產品
    區別在於這是一款仿製版本,配套發動機是仿自容克斯Jumo 004的RD-01,考慮到前掠翼設計帶來的技術難度更大,氣動部件強度要求高,翼尖振顫問題得不到解決等。「丘比特」雖然上天,但接下來研製還是要回歸常規氣動布局。
  • 麥道DC-10型客機簡介
    DC-10投入運營後,發現在設計上有的缺陷,較嚴重的是貨艙艙門設計,直接導致幾次事故,需要對貨艙艙門進行重新設計。到1979年,DC-10在一年內涉及兩起重大空難事故,當時航空當局以安全理由要求全球的DC-10停飛,損害了DC-10飛機的聲譽。
  • 美國主要航空公司退役全部DC-9客機 為中國ARJ-21原型
    美國主流航空公司的DC-9客機至今年1月6日全部退役DC-9是由道格拉斯飛機公司(後來合併為麥克唐納·道格拉斯公司)在上個世紀60年代研發的雙發中短程單通道民航客機。上世紀80年代,DC-9客機發展出了DC-9超-80型客機,後來更名為MD-80客機,成為新一代的中短程單通道民航客機。達美航空作為DC-9的最初用戶於1965年引入該機型,共投入305架以美國國內短程航線為中心運營。2014年1月6日退出服役的DC-9執飛的最後1個航班是美國明尼阿波利斯飛往亞特蘭大的定期航班。
  • 「小行動,大力量」 環保公益課程在閔行開課
    ……11月30日下午,上海市閔行區龍柏第一小學的幾百位同學們參加了一節別開生面的環保公益課「小行動 大力量」。「小行動 大力量」活動正式開始該科普項目是由虹橋鎮人民政府與康師傅控股集團共同策劃籌辦,通過保持社交距離的授課方式,讓更多同學參與進來,學習環保知識,用實際行動讓環保教育能持續推進,為城市減負。
  • 戰鬥機主翼切尖和不切尖的區別:關鍵就在可削弱翼尖渦流上面
    關於機翼切尖這個話題,中國軍迷最想要做的事情恐怕就是把殲-10主機翼被切的部分給補上,然後裝一對翼尖飛彈掛架。本身鴨翼三角翼飛機翼展小,挨了一刀少了一對翼尖掛架後有效掛點數量更少,這也是殲-10掛點設置有點「天殘腳」的先天性不足。
  • 為Ameco飛機大修裝上「3+」引擎
    這一年,三十而立的他光榮入黨,成為了成都分公司首架A320翼尖小翼改裝黨員先鋒隊的一員,帶頭攻克小翼改裝零部件的拆裝工作。  為了給佔用周期較長的結構專業留出儘可能多的時間,A320小翼改裝前期的機械專業拆件環節要求越快越好。原裝小翼、副翼、擾流板、飛機油箱、所有增升裝置、所有傳動裝置等飛機大翼區域所有可拆卸的零部件,數量總計千餘件,要求兩天內全部拆下。
  • 《隊長小翼:新秀崛起》評測
    還記得評測君自己小學時,踢球總要喊上兩句曲線射門,猛虎射門什麼的,就好像這樣就真的能提升威力一樣。這回花了近三十個小時通關《隊長小翼:新秀崛起》之後,聽到結局時動畫版BGM響起,還真的瞬間有了一種回到童年的感覺。
  • 殲-6機翼有翼刀:防止翼尖帶來戰機失速,此後戰機就不再採用翼刀
    據網絡搜索到的資料,所謂的「翼刀」,是指戰鬥機機翼上與機身軸線平行的,似刀子一樣的鋁合金片,即利用物理方法阻止附面層向外翼流動,以緩和翼尖分離,增加戰鬥機的安全性。現在,戰鬥機上的翼刀,其實,已經看不到了,翼刀出現在戰後,剛開發的噴氣式戰鬥機上,是當時航空界較為常見的一種控制戰鬥機失速的有效手段。殲-6,是沈飛根據前蘇聯提供樣機和全套設計圖紙,仿製成功的米格-19戰鬥機,是米高揚設計局研製的最後一種傳統後掠翼氣動布局的戰鬥機,也是戰後第一種進入批量生產的超音速戰鬥機。