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航空史话

翼梢小翼 降耗增效的能手

时间:2019年07月24日   来源:大飞机报
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  飞机在飞行中机翼上下表面存在压力差,流过机翼下表面的气流将带动翼尖周围的空气流向机翼上表面,形成翼梢涡,改变流向机翼的气流方向,产生诱导阻力。翼梢小翼可以起到阻挡机翼下表面气流向上表面绕流的作用,相应削弱翼梢涡的强度,减弱飞机的尾迹漩涡,从而提高机场附近飞行安全和机场使用率,缩短飞机放飞和着陆时间间隔。同时,还可以降低诱导阻力,提高飞机起落性能,缩短起飞滑跑距离,缓解地面噪声。

  英国著名空气动力学家兰彻斯特受鸟类飞行的启示,最早提出翼梢涡的概念,并在1897年获得在机翼翼尖安装垂直端板的专利权。由于飞机在巡航时,端板会引起较大的阻力,因此一直没有在飞机设计中得到广泛应用。

  20世纪70年代,NASA兰利研究中心的空气动力学家惠特科姆,用一个升力面代替端板,翼梢小翼概念在应用上才取得了真正意义上的突破。从此,翼梢小翼技术正式“登堂入室”,进入商用飞机设计制造领域。

  翼梢小翼有一个逐步演变的过程,20世纪80年代末,波音公司首次将此项技术应用于747-400设计中,这是梯形翼梢小翼,还被应用于空客A330、A340等机型。

  随着机翼长度增加,加装常规翼梢小翼就会更多地增加结构重量。20世纪80年代,空客公司在A310-300机型上,首次采用尖刀式翼梢小翼,有效解决了这一难题。其特点是在非设计状态下有较好的减阻效果,侧风进场时不会出现失速现象。

  随着航油价格不断上涨,航空公司渴望找到节省燃油的方法。2000年,波音在公务机BBJ上率先采用融合式翼梢小翼。融合式翼梢小翼的最大特点在于,能有效减小翼梢小翼与机翼之间的气动干涉,改善了受力情况,增加了翼尖处抗弯和抗扭强度。

  为了缩短飞机起飞的滑行距离,提高爬升性能并降低油耗,减轻噪声影响,斜削式翼梢小翼应运而生。斜削式翼梢小翼的特点是使机翼在翼尖处有一个较大角度的斜削,已成为机翼的一部分,是机翼与翼梢小翼一体化设计的产物。以波音777-300ER 为例,安装斜削式翼梢小翼后,其燃油效率提高了2%。这相当于每架飞机每年可以节省约590吨燃油,减少约1760吨二氧化碳气体排放。

  随着轻质碳纤维复合材料技术的成熟,2012年,空客专门为A320飞机研制了一种新型翼梢装置——鲨鳍翼梢小翼。在不特别增加飞机重量的前提下,鲨鳍翼梢小翼可以降低3.5%的燃油消耗。目前,鲨鳍翼梢小翼是新出厂的A320系列飞机的选装设备,也是A320neo系列飞机的标准配置。

  此外,还有螺旋式翼梢小翼和可变翼梢小翼,螺旋式翼梢小翼最大的特点是外形像一个细长的翼梢绸带,形成一个刚性闭合环,相当于在翼梢处装了两个小翼,达到双倍效果,因此也被称为双翼梢小翼。螺旋形翼梢小翼的设计制造难度很高,面临来自气动、结构、材料、工艺和制造经济性等方面的挑战。固定的翼梢小翼不可能在所有条件和状态下都有良好的表现,能够在飞机飞行不同阶段改变外形的可变翼梢小翼是设计师们多年的夙愿。当由复合材料构成的蒙皮技术能够适应翼梢小翼外形变化时,可变翼梢小翼迅速成为航空界探索的热点。巴西圣保罗大学的一个研究团队通过风洞试验研究了可变翼梢小翼,结果表明它能在整个飞行包线内优化飞机的气动特性,能将飞机的气动效率提高3%,航程提高5%。

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