打造更完美的機翼:飛機小翼到底能有多少種變化

2021-01-08 萬象經驗

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使翼梢向上的想法可以追溯到19世紀。1897年,英國工程師弗雷德裡克·蘭徹斯特申請了在機翼尖端垂直放置尾板以控制翼尖渦旋的專利。通常只有在高溼度、雲層或霧的情況下才能看到,漩渦在機翼後面呈現為扭曲的帶狀空氣,幾乎像是側翻的小型龍捲風。當空氣流過傳統飛機的翼尖時,它往往會從機翼下的高壓區向上滾動到機翼上方的低壓區。在高速飛行時,機翼頂端的氣流也會被迫向後流動。這種逆流與機翼下方向上的滾轉相結合,形成漩渦。

它們可能看起來很酷,但實際上是個大麻煩。渦流是升力引起的附加阻力,它會降低機翼的效率。儘管蘭徹斯特意識到了這個問題,但他從未在飛機上展示過他的終板。這項壯舉將留給蘇格蘭工程師威廉·薩默維爾,他在1910年獲得了第一個功能性小翼的專利。20世紀20年代和30年代進行了進一步的研究,但直到第二次世界大戰,小翼才變得更加普遍。

德國戰爭後期的海因克爾He-162A噴氣式戰鬥機融合了許多先進技術,包括小翼,162A的小翼是向下的而不是向上的。但是隨著戰後航空技術的發展,小翼在大多數商用和軍用飛機上消失了。

阻力越小耗油越少

1973年秋天,阿拉伯石油輸出國組織大幅削減石油出口,原油從每桶3美元漲到1974年3月的每桶近12美元。當時燃料佔單次飛行運營成本的40%到50%,航空公司遭受重創。

油價的急劇飆升讓美國宇航局蘭利研究中心的航空工程師理察·惠特科姆想到了小翼。他研究了蘭徹斯特的原始概念,並推測將小翼的垂直表面設計成精緻的翼型可以更有效地與翼梢的氣流渦旋相互作用,從而減少阻力。

惠特科姆開始使用DC-10的模型進行一系列風洞測試,評估不同飛行速度下的小翼、不同襟翼和副翼配置。他發現在DC-10模型中添加這些設備比不添加設備的模型減少了5%的整體阻力。在20世紀70年代中期,波音公司對一架帶小翼的747客機進行了自己的工程研究,預測其航空阻力將減少4%。

隨著美國宇航局和波音公司的研究進展,比爾·利爾的創新裡爾噴氣機公司實際上於1977年在裡爾噴氣機28公務機原型上安裝了小翼,它成為第一架使用小翼的噴氣機。據報導,在飛行測試中,他們的航程提高了6.5%。製造商灣流航空公司也曾在20世紀70年代末試驗過小翼飛機,並於1980年將其安裝在灣流III號上。

這項集體研究激發了美國宇航局飛行研究中心在1979年進行了一次集體飛行試驗。美國空軍提供了一架KC-135空中加油機用於測試,波音製造了原型小翼,高9英尺,底部寬6英尺。

裝備有小翼的KC-135在1979年7月24日首次飛行。隨後又進行了47次試飛,對現有的KC-135配置進行了評估。結果與惠特科姆在他的風洞研究中預測的很接近,但是更好。根據美國宇航局的數據,阻力降低了6.5%,燃料消耗也相應減少。

儘管增加了較小燃料的好處,但航空業還是花了一段時間才趕上。在20世紀80年代中期,波音公司試圖通過增加航程和降低運營成本來改善其747大型噴氣式客機萎靡不振的銷售。747-400是第一架擁有小翼的商用客機。據波音公司稱,小翼使747-400的航程比其前身747-300增加了3.5%。

混合小翼

在波音公司製造747-400飛機的同時,他的商業夥伴丹尼斯·華盛頓打電話給他,詢問能否在自己的灣流上加上一對小翼。工程師克拉克並沒有簡單地安裝標準的GIII小翼,而是召集了一組波音公司和洛克希德公司的退休工程師,提出了一個新概念——混合小翼。

混合小翼以平滑的曲線而不是尖角附著在機翼上,減少了機翼、小翼交接處的幹擾阻力。適當地塑造和調整小翼的大小對於使漩渦遠離機翼的平面部分至關重要。1993年,克拉克的團隊使用混合小翼裝備了灣流飛機,新附件減少了7.2%的阻力。具有諷刺意味的是,大多數公務機客戶並不是真的被提高燃油效率所激勵。人們的感覺是,當你裝上小翼時,你就會得到一架全新的飛機。

隨後克拉克購買了柏林航空公司旗下的波音737-800首批機型之一,進行了混合小翼的飛行測試,並實現了他承諾的燃油效率提高。1999年,他已經在1萬架飛機上安裝了2萬個小翼,估計節省了104億加侖的燃料。

其它更高級的小翼

波音777X擁有了可摺疊的翼尖小翼,波音787使用的傾斜小翼也比傳統小翼更能較小阻力,還有A330neo的小翼等等。

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