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1、浅析翼尖小翼的利与弊蒋健南京禄口国际机场机务工程部飞机是人类对空气动力学深入研究所产生的伟大产 物。 一百多年来, 人类一直不断探索怎样才能飞得更高、 飞 得更快、 飞得更舒适、 飞得更经济。 “翼尖小翼” 正是基于这 种理想从而产生的智慧的结晶。 如今, 越来越多的航空公 司在选择飞机配型时选择安装翼尖小翼, 正是认识到了这 个小小的装置对飞机性能带来的改善。 那么翼尖小翼的原 理是什么? 它有什么作用又有什么优缺点呢?2翼尖小翼的设计原理升力的产生简单地说是气流流过机翼的上下两个表面时产生气压差, 当这种升力大于飞机的重量时, 飞机便 能够在天空飞行。 但这时机翼下表面压力较大的气流, 会
2、 有部分在翼尖处流向压力较小的上表面, 并因此产生涡 流, 图 3 为飞机的涡流示意图, 产生诱导阻力。 1相关名词解释( 1) 翼尖小翼 (w in g le t 或 w in g t ip ) : 又称作翼尖帆或翼端帆, 也可以称作翼梢小翼。 通常用于提高固定翼航空 器机翼的效率, 也可用来改善航空器的操纵特性。 ( 图 1, 2 为B 747 和A 320 飞机安装的不同外形的翼尖小翼)图 3 飞机涡流示意图当飞机飞得越快, 产生的涡流也越强, 这样会增加飞 行时的阻力和燃料消耗。 要减少这种涡流的出现, 其中一 种方法是采用更加细长的机翼, 但太长的机翼不论从设计 角度还是实际情况来说
3、都不科学。 所以便出现了翼尖小翼 的设计, 它能通过改变翼尖附近的流场从而减小涡流的强 度, 而且它的角度也能同时产生向上和向前的分力来增加 飞机的推力和升力, 图 4 为一般机翼与有翼尖小翼和升力 示意图。图 1 B 747 飞机安装的翼尖小翼图 2A 320 飞机安装的翼尖小翼图 4 一般机翼与有翼小翼尖和升力示意图 ( 2) 诱导阻力: 由于升力的产生, 还要产生一种附加的 阻力。 这种由于产生升力而诱导出来的附加阻力称为诱导 阻力。 可以说, 诱导阻力是为产生升力而付出的一种 “代 价” 。 ( 3) 失速: 由于气流冲角过大而造成压气机叶片背弧 上附面层严重分离, 以致压气机性能严重
4、下降甚至丧失功 能。( 4) 迎角: 对于固定翼飞机, 机翼的前进方向 ( 相当于 气流的方向) 和翼弦 ( 与机身轴线不同) 的夹角叫迎角, 也 称为攻角。翼尖小翼的作用首先起到了阻挡机翼下表面气流向上表面的绕流, 削 弱了翼尖涡的强度, 从而增大了机翼的有效展弦比, 起到 了减小诱导阻力和增加升力的作用。 加装小翼后, 可以基 本上不增加机翼的实际翼展而造成的停机库跨度不足和 地面调动的困难, 而达到同样的气动力效果。 将翼尖集中 涡破碎成许多小翼线。 由于翼梢小翼有分解翼尖涡的作用, 即能削弱机翼的3江 苏航 空总第 126 期26翼尖涡, 减小下洗场。 翼梢小翼本身在翼尖流场中产生升
5、力和尾涡, 与机翼翼尖涡距离很近, 互相缠绕, 这两股涡限 于后各自诱导方向相反, 从而利用翼尖小翼本身的环绕来 抵抗机翼翼尖周围的气流流动。 安装在机翼翼尖的翼梢小翼, 其前缘在机翼翼尖剖面 最大厚度附近, 机翼翼尖的逆压场与翼梢小翼的顺压场相 对应, 使机翼翼尖区的压力分布不再尖而陡, 而是更加丰 满减少了逆压梯度。 可延迟机翼翼尖的气流分离, 提高飞 机的失速迎角。4 翼尖小翼的优点( 1) 对起飞滑跑距离的影响, 见图 5。图 7 B 7372800 飞机安装及未安装翼尖小翼爬升能力对比( 1) 大大降低了飞行成本, 每架飞机全年可节省 300 吨燃油。 如波音 7372800 型飞机
6、装翼梢小翼后, 在巡航阶 段即高空平稳飞行时节省燃油, 航程增加4% 6% , 约130 海里, 装载量增加约 6 000 磅。 ( 2) 提高了安全裕度, 改善了飞机起降性能; ( 3) 在飞机起降时使飞机推力降低 3% , 巡航时降低314% , 增加了降落的稳定性能, 特别有利于山区降落;( 4) 降低了发动机推力, 延长了发动机使用寿命, 同时 增加了飞机业载和航程, 提高了飞机本身残值; ( 5) 飞机起飞噪音降低615% , 废弃排放减少5% , 更加 环保清洁。图 5 B 7372700 型飞机安装及未安装翼尖小翼滑跑距离对比从 上图可以看出, 以B 7372700 型飞机起飞重
7、量为 65 吨为例, 没有安装翼尖小翼的飞机需要滑跑距离为 9 000f t, 而装有翼尖小翼的飞机需要的距离为 8 100 8 200 f t。 装有翼尖小翼可以有效地缩短滑跑距离。 ( 2) 对起飞重量的影响, 见图 6。翼尖小翼的缺点( 1) 增加翼尖小翼在成本上的投入是较大的, 而且后 期维护的成本也相对较高。 因此, 从成本的角度, 增加翼尖 小翼其对飞机的制造成本和制造工艺都有了新的要求。 ( 2) 增加翼尖小翼后虽然爬升性能和速度方面有显著 提高, 但是其抗大侧风的能力, 以及转弯的性能相对较差。 因此, 并不是增加翼尖小翼后, 飞机的所有性能都有所提 高。 ( 3) 飞机在一定
8、的巡航阶段翼尖小翼的节油特性才发 挥得比较明显, 超过这个速度范围其并没有太大的实际意 义, 这也是为什么在对机动性能要求较高的军用飞机上基 本没有加装小翼的原因之一。 同时, 民航飞机如果仅是支 线等短程航线飞行, 其小翼并没有什么优势。 在短距离航 段飞行时, 飞机爬升和着陆占用过多的时间, 巡航阶段需 时段少, 加装翼梢小翼的飞机装配增重以及额外的浸润面 积和寄生阻力可能会抵消气动力改善带来的利益, 节油效 果就不很明显。 同时, 新飞机加装翼梢小翼需要多花大约 76 万元, 接飞机改装大约60 万元, 这对于航空公司是一笔 很大的支出, 经计算: 500 海里以上航线大约可省油 1%
9、3% , 500 海里以下, 效果不明显。所以短距离航程, 翼尖小 翼的经济作用发挥不明显。 翼尖小翼使飞机飞得更高, 飞得更远, 飞得更经济也 飞得更环保。到 2006 年底, 已经有 65% 的B 7372700、57% 的B 7372800 型飞机安装了翼尖小翼, 随着空气动力学研 究的不断发展以及复合材料的不断改善, 我们相信未来的 “翼尖小翼” 将会对飞机性能的优化作出更大的贡献。5图 6B 7372700 型飞机安装及未安装翼尖小翼起飞重量对比从图 6 可以看出, B 7372700 同是 30 C 起飞, 没有安装 翼尖小翼的飞机起飞重量限制为 65 000 k g , 而装有翼尖 小翼的飞机则可以达到 67 000 k g。 装有翼尖小翼可以有 效地增加飞机的起飞重量。 ( 3) 对爬升能力的影响, 见图 7。 从图7 可以看出,B 7372800 在昆明机场24 C , 03 号跑 道, 起飞重量 64 500 k g, 起飞 6 km 后, 没有安装翼尖小翼 的飞机可以爬升到的高度大约是 380 f t, 装有翼尖小翼的 飞机可以爬升到得高度大约是 460 f t。装有翼尖小翼可以 有效地提高飞机的爬升能力。 ( 2) 据波音文件, 为飞机选装翼梢小翼有以下 5 个方 面优点:
