随着科技的发展和人民生活水平的不断提高,民航客机已经成为人们出行选择的主流交通工具之一。如果大家仔细观察过民航客机的外形,就会发现一个有趣的细节,就是机翼并不像我们想象中的平直延伸,而是在翼尖处向上翘起,如图1所示。这时,大家可能会好奇,这个“向上翘起的部分” 是什么?又有什么作用呢?
这个“向上翘起的部分”有一个学名,叫做“翼梢小翼”。要想搞清楚翼梢小翼的作用,我们首先从飞机的升力开始说起。飞机之所以能够飞行,是因为气流通过机翼时,在机翼上下表面形成了压强差,从而让飞机获得向上的升力。此时,在翼尖处,气流会从下翼面的高压区绕过翼尖流向上翼面的低压区,形成强烈的翼尖涡。
翼尖涡会导致在翼展范围内出现一个向下的诱导速度场,形成下洗流。下洗流的存在会使得机翼的有效迎角变小,升力向后倾斜,从而使得升力具有一个向后的阻力分量,也就是诱导阻力(又称“升致阻力”)。
诱导阻力在飞机巡航阶段约占总阻力的30%~40%,在爬升阶段占总阻力的60%以上。诱导阻力的存在会增加飞机燃油的消耗,因此降低诱导阻力对提高民航客机经济性具有重要意义。我们知道诱导阻力是由翼尖涡产生的,而翼尖涡是由翼尖绕流导致的,因此降低诱导阻力的关键就是减少翼尖处绕流。一个最理想的办法就是将机翼做到无限长,直接避免翼尖处绕流的发生,当然这是不切实际的。那还有其他好的办法吗?
不妨从大自然中找找灵感,我们可以发现,像鹰和鹤这些大型鸟类在飞行时会将翼尖的羽毛向上弯曲,如图4所示。这会不会是一种降低诱导阻力的办法呢?
受此启发,NASA的理查德·惠特科姆博士发明了翼梢小翼。通过风洞测试和计算研究,惠特科姆发现:翼梢小翼就就像一道竖起的墙,可以阻碍空气在翼尖处的绕流,减少翼尖涡对飞机的影响;安装翼梢小翼的运输飞机可以实现6%—9%的巡航效率改进。后来,NASA在一架KC-135加油机上安装了翼梢小翼,通过试飞发现:安装翼梢小翼后,飞机的最大飞行高度增加3.4%,巡航状态升阻比提高了7.8%,航程增加了7.5%。之后,翼梢小翼开始逐渐被应用到民航客机上。当然,并不是所有的客机都安装了翼梢小翼。对于一些短航线的飞机来说,翼梢小翼增重带来的成本要大于节省的燃油消耗,因此这些客机会选择不装翼梢小翼。
目前,随着翼梢小翼技术的不断发展,已经发展出了多种优化造型的翼梢小翼。比如,融合式小翼、翼尖帆、端板式小翼、双叉弯刀式小翼等。(文/柳昌亚)