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?
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。
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。
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。
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。」
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。