翼梢小翼的新變革

邢強(qiáng)

個(gè)頭雖小，減阻效果好

雖然早期的客機(jī)普遍沒(méi)有翼梢小翼，而且小翼通常會(huì)被當(dāng)作閃亮的新科技成為飛機(jī)制造商的宣傳重點(diǎn)，但小翼的歷史可回溯到萊特兄弟的飛機(jī)上天之前。早在1897年，英國(guó)空氣動(dòng)力學(xué)家蘭徹斯特在解釋了機(jī)翼升力產(chǎn)生的原因之后不久就提出了在翼尖處加裝端板以改善其空氣動(dòng)力學(xué)特性的想法。可惜囿于航空材料和加工工藝，小翼對(duì)飛機(jī)升阻特性的改善無(wú)法勝過(guò)其給飛機(jī)帶來(lái)的額外重量。該設(shè)計(jì)只能停留在圖紙上。蘭徹斯特死后30年的1976年，油價(jià)猛漲，曾提出跨聲速面積律和超臨界翼型的惠特科姆博士才重拾小翼。波音公司立即在波音707改裝成的KC-135加油機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。數(shù)據(jù)表明，KC-135加裝小翼后最大飛行高度增加了3.4%，升力系數(shù)增大了4.88%，升阻比提高了7.8%，航程增加了7.5%。這次試驗(yàn)肯定了小翼的價(jià)值，此后采用小翼的客機(jī)開(kāi)始出現(xiàn)。

小翼是怎樣對(duì)飛機(jī)性能施加影響的呢？這要從翼尖渦流和誘導(dǎo)阻力說(shuō)起。大型飛機(jī)在亞音速狀態(tài)下巡航時(shí)，誘導(dǎo)阻力約占總阻力的40%。機(jī)翼下表面的壓力常大于上翼面，這個(gè)壓力差便是升力的主要來(lái)源。在翼尖處，壓力差迫使空氣從下向上卷，并從翼尖向后拖起一條像繩索一樣的渦流耗散著飛機(jī)的能量，這便是誘導(dǎo)阻力的成因。從飛機(jī)后部向機(jī)頭看，左側(cè)翼尖渦流呈順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，右側(cè)則為逆時(shí)針?lè)较?。渦流對(duì)正后方產(chǎn)生下壓力，對(duì)側(cè)后方產(chǎn)生抬升力。其他飛機(jī)一旦卷入飛機(jī)身后的渦流，輕則產(chǎn)生顛簸，重則機(jī)毀人亡，因此機(jī)場(chǎng)對(duì)飛機(jī)起降間距有嚴(yán)格要求。不過(guò)翼尖渦流也有好的一面。大雁的“翼尖”也會(huì)產(chǎn)生渦流。雁群中機(jī)智的大雁懂得飛在頭雁的側(cè)后方排成人字或者斜一字以利用頭雁產(chǎn)生的渦流?？蜋C(jī)一般不會(huì)編隊(duì)飛行，翼尖渦流還是小一些為妙。把機(jī)翼做得足夠長(zhǎng)，翼尖氣流的卷動(dòng)就會(huì)變得相對(duì)不那么明顯。翼展延長(zhǎng)10%，誘導(dǎo)阻力會(huì)減小17%，但機(jī)庫(kù)大小和機(jī)翼結(jié)構(gòu)的限制使翼展不能很長(zhǎng)，只能退而求其次，把延長(zhǎng)段的機(jī)翼向上折疊，這就形成了翼梢小翼的樣子。如果小翼高度是單側(cè)機(jī)翼長(zhǎng)度的10%，誘導(dǎo)阻力會(huì)減小10%。

推陳出新，節(jié)能又環(huán)保

翼梢小翼阻擋翼尖繞流同時(shí)將一個(gè)大渦流分散為多個(gè)相互纏繞相互耗散的小渦流。早期的小翼主要分為兩種：?jiǎn)味问剑úㄒ?47-400）和雙段式（空客A380）。單段式小翼通常會(huì)設(shè)計(jì)一個(gè)外傾角給飛機(jī)帶來(lái)附加升力。但也因此會(huì)給機(jī)翼帶來(lái)附加彎矩，需要為此加強(qiáng)機(jī)翼結(jié)構(gòu)，從而增加重量。在巡航距離較短時(shí)，小翼的優(yōu)勢(shì)就不明顯了，專為日本國(guó)內(nèi)航線設(shè)計(jì)的波音747-400D就取消了小翼。雙段式小翼往往垂直于主翼面安裝（因此也被稱為翼尖帆片），無(wú)法產(chǎn)生附加升力，但也不會(huì)帶來(lái)額外彎矩，能同時(shí)影響上下翼面的氣流，其尺寸可以比單段式小一些。比較這兩種小翼優(yōu)劣的意義已不大，它們開(kāi)始被更優(yōu)化的設(shè)計(jì)所取代。

以前波音客機(jī)傾向于單段式，而空客常用雙段式。但他們對(duì)小翼的選取卻在最近發(fā)生了逆轉(zhuǎn)。波音737MAX雙羽狀小翼與A320的雙段式小翼有幾分相似?？湛虯320neo的鯊魚(yú)鰭小翼則有點(diǎn)像波音737經(jīng)典型加裝的單段式小翼。不過(guò)，這并不是因雙方青睞對(duì)方的設(shè)計(jì)開(kāi)始相互抄襲，而是在設(shè)計(jì)中不斷取舍創(chuàng)新的結(jié)果。

從側(cè)面看，737MAX的小翼與雙段式小翼的確較像，但從飛機(jī)正面看就能發(fā)現(xiàn)雙羽式小翼有明顯的傾斜角和平滑的過(guò)渡面，是上反式小翼和下反式小翼的結(jié)合，而不是垂直于主翼面的“翼尖帆片”。向下的分叉明顯比雙段式的細(xì)長(zhǎng)，使小翼重心下降，改善機(jī)翼的受力并提高渦流控制效率。機(jī)場(chǎng)對(duì)飛機(jī)的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)按重量和翼展來(lái)劃分，對(duì)于翼展已接近劃分臨界值的737MAX來(lái)說(shuō)，上下分叉設(shè)計(jì)比單段式設(shè)計(jì)需要更小的尺寸，有利于在飛機(jī)橫向尺寸有限的情況下盡量增加主翼長(zhǎng)度，同時(shí)保證小翼的減阻能力。

A320neo的鯊魚(yú)鰭當(dāng)然也不是對(duì)單段式小翼的模仿，該小翼的三維扭轉(zhuǎn)和圓潤(rùn)邊角都展示出與早期單段式小翼的不同?？湛驼莆招滦托∫砑夹g(shù)的時(shí)間并不晚，只是選擇在合適的時(shí)機(jī)推出鯊魚(yú)鰭小翼來(lái)取代傳統(tǒng)雙段式鏢形小翼，這主要是從減少航空公司成本的角度來(lái)考慮，而非驗(yàn)證新技術(shù)。這種不求最炫但求實(shí)用的理念影響了其小翼的設(shè)計(jì)。在A320neo與現(xiàn)役A320有95%通用性的要求下，造型新穎、顛覆常規(guī)的小翼是不大可能出現(xiàn)的。鯊魚(yú)鰭簡(jiǎn)潔明快的外形繼承了上反式小翼的成熟技術(shù)，并且其加裝到現(xiàn)役飛機(jī)上的方法也易于被加裝過(guò)單段式小翼的維護(hù)人員所掌握。另外，機(jī)翼下方的小翼在極端情況下有觸地的風(fēng)險(xiǎn)，這也是該小翼沒(méi)有向下分叉的一個(gè)原因。

追求技術(shù)創(chuàng)新性的737MAX與堅(jiān)持技術(shù)實(shí)用性的空客A350neo在小翼的設(shè)計(jì)上雖有不同，但它們都做到了創(chuàng)新與實(shí)用的兼顧，可謂異曲同工，其伯仲之判則要交給實(shí)踐與時(shí)間了。而A350XWB和波音787的高度融合小翼則表現(xiàn)出另一種趨勢(shì)：以大曲率與主翼融合的小翼逐步和主翼的翼梢融為一體，在削弱渦流的同時(shí)還能產(chǎn)生有益于飛機(jī)的分力。

另外還有C形和螺旋形等多種小翼。C形小翼在頂部有一段水平翼，在減小誘導(dǎo)阻力的同時(shí)還能幫助飛機(jī)突破跨音速的勺型區(qū)，消除副翼反效的危險(xiǎn)。螺旋形小翼以兩個(gè)相互支撐的小翼形成一個(gè)閉合圓環(huán)，增加了強(qiáng)度，提高了削弱尾渦的能力。

小翼使飛行更加高效環(huán)保。每架裝有鯊魚(yú)鰭的A320每年可減少1 000噸碳排放。2010年，APB（航空伙伴波音公司）宣布他們的融合式小翼替全世界節(jié)約了2億加侖燃料（節(jié)省40億美元的開(kāi)支、減排2 150萬(wàn)噸二氧化碳）。由于升阻性能的提高，飛機(jī)在起降階段對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的要求降低，這就意味著更小的噪聲和更高的安全裕度。尾渦的減弱將縮小飛機(jī)的起降間距，提高機(jī)場(chǎng)的效率。

責(zé)任編輯：陳肖endprint