民航飞机的翼尖,为啥要翘起?科普一个知识,这样的设计好处很多

文摘   2024-12-28 00:02   广东  
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民航飞机的翼尖





飞机外观最凸显的部分无疑是机翼,经常乘坐飞机的旅客或许会对飞机机翼上那些特别的设计心怀好奇。有的飞机机翼在末端竖起来,有的甚至呈现出一些精美的造型。难道这些设计仅仅是为了让飞机外观更美观吗?当然美观是其中的一部分原因,而这些设计实则叫做翼梢小翼,别看这小小的翼梢,其中可蕴含着省钱的大学问。 


01
科普一个知识
我们首先要了解一下飞机的升力究竟是如何产生的。机翼的上下表面形状并不对称,当飞机在高速滑行的时,机翼将气流切割为上下两个部分,空气沿机翼上表面运动的距离更长,因而流速自然更快。依据伯努利定理,速度越快,气压越小,机翼下表面的压力会显著大于上表面的压力,
上下表面的压力差便为飞机提供了升力。
对于飞机的平直机翼而言,
机翼下表面的气流由于高压会流向机翼上表面,从而在翼尖处产生较大的旋涡。当飞机的飞行速度提升,旋涡的强度也会随之增强。这种旋涡所蕴含的能量巨大,然而对于飞机的升力和推力毫无助益,反倒会致使飞机的阻力增大以及燃油消耗增加。众所周知,航空燃油价格极其昂贵,哪怕仅仅增加 1%的阻力,都会让飞机耗费大量不必要的费用。因此,人们开始致力于研究如何解决这个涡流问题。在20世纪70年代末期,工程师们在一架飞机上安装了翼梢小翼进行试验,得到的结果是最大飞行高度、升力系数、巡航状态升阻比以及航程均有显著增加。这充分说明了翼梢小翼的设计是有价值的。
经过不断地探索与实践,工程师们发现,在机翼顶端安装一个竖着的小翼,以此阻挡机翼下面的空气通过翼尖绕流到上面,有效地降低了涡流产生的阻力,显著减少了燃油的消耗,
为航空公司节省了大量的成本。

减少诱导阻力

  • 原理
    飞机飞行时,机翼下表面压力大,上表面压力小,在翼尖处会形成从下向上的气流漩涡,从而产生诱导阻力。翼梢小翼可以阻碍机翼下表面气流向上表面的绕流,减小翼尖涡的强度,进而有效降低诱导阻力。
  • 效果
    一般来说,安装翼梢小翼后,飞机的诱导阻力可降低 20% 至 30% 左右,这使得飞机在相同的发动机推力下能够获得更高的飞行效率,节省燃油消耗。


提高燃油效率

  • 原理
    诱导阻力的降低直接减少了发动机为克服阻力所需的推力,从而降低了燃油消耗。此外,翼梢小翼还能使飞机在巡航飞行时保持更优的升阻比,进一步提高燃油效率。
  • 效果
    根据波音公司的数据,安装翼梢小翼的波音 737NG 系列飞机,燃油效率可提高约 4% 至 6%,每年可为航空公司节省大量的燃油成本。


增加航程

  • 原理
    由于燃油效率的提高,飞机在携带相同燃油量的情况下能够飞行更远的距离。同时,翼梢小翼在一定程度上提高了飞机的升力系数,也有助于增加航程。
  • 效果
    以空客 A320neo 为例,安装新型翼梢小翼后,其航程相比未安装的同型号飞机可增加数百海里,这使得飞机的航线规划更加灵活,能够覆盖更广泛的区域。

改善飞机稳定性

  • 原理
    翼梢小翼在飞行过程中能够产生一定的侧向力,对飞机的横滚稳定性起到积极作用。它可以减小飞机在侧风等不稳定气流条件下的横滚摆动,提高飞行的平稳性。
  • 效果
    在实际飞行中,安装翼梢小翼的飞机在遇到侧风时,飞行员能更轻松地保持飞机的姿态稳定,乘客的乘坐体验也会更加舒适。


降低发动机噪音

  • 原理
    翼尖涡的减弱不仅减少了诱导阻力,还降低了因翼尖涡与发动机相互作用而产生的噪音。同时,飞机飞行时的整体气动噪声也会因翼梢小翼的优化而有所降低。
  • 效果
    在机场周边区域,安装翼梢小翼的飞机起飞和降落时产生的噪音相对较小,对机场周边居民的生活干扰也会相应减轻。


提升机场运行效率

  • 原理
    由于翼梢小翼减小了飞机的诱导阻力和所需的跑道长度,飞机在起飞和降落时能够更快地达到所需的速度和高度,从而缩短了在跑道上的滑跑距离。
  • 效果
    这对于繁忙的机场来说,可以提高跑道的利用率,减少航班延误,提升机场的整体运行效率。
综上所述,在机翼顶端安装一个竖着的翼尖小翼,在实际应用中证明了其有效性,其出色的性能表现和显著的节能效果,
使得各大航空公司纷纷将其应用于自家的飞机机型上。

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