在20世纪70年代，当人类终于摆脱现实引力，能够飞得比任何鸟类都高、都快时，空气动力学家理查·惠特科姆在重新端详鸟类时得到了启发，意识到：鸟类翅膀的末端往往呈现出与翅膀整体不一致的外形，有的向上翘起，有的如鸥类则是翘起同时向后弯折。这是为什么呢？那是因为在升力原理的作用下，上下机翼表面存在的气压差将机翼“推”上天空。然而，这个效应在翼尖的位置则会带来另外一个现象：在机翼的尽头——翼尖处，下表面的高压空气会“绕过”机翼的最末端，直接与低压空气相汇对冲。原处于上翼面的空气自然是无法抵挡压力较高的下翼面空气，使得部分高压空气从下翼面“逃逸”到了上翼面。
与此同时，飞机在空中始终与空气处于高速的相对运动状态。想象一下在划船时，当船桨划过平静的水面，是不是能看到它拨动的水流表面出现了小漩涡？同样的，运动的机翼就像在空气这片“水面”上划动的“船桨”，在翼尖处形成一个强烈的逆时针旋转的漩涡气流，称为翼尖涡流。
鸟类翅膀带来的启发
翼尖涡流会反过来作用在机翼上，将原应流向机翼的气流方向向下偏转，称之为下洗流，改变飞机的升力方向，也可以理解为飞机被“向下吹”以及“向后吹”——这股“向后吹”的力就被称之为诱导阻力。
为了克服诱导阻力，飞机就不得不提升速度、加大油门，也就导致飞机的燃油经济性变差，更加费油的飞机也就导致了更贵的机票。同时，飞机起飞、降落产生的空气涡流也会滞留在跑道上长达3分钟，使后续航班的起降滞后并带来隐患。
应对翼尖涡流，自然界的鸟类给出了它们的答案——翅膀（机翼）末端上翘。这正是现在运用在民用航空中最主流的抵消翼尖涡流的办法。
翼梢小翼就像一堵墙，立在了高、低压空气本应相汇的区域，从根源上制止了原翼尖涡流的产生。然而，除非拥有一个无限长的机翼或者圈状的机翼，完全消灭翼尖涡流是不可能的，翼梢小翼最顶端成为了新的相汇区。但此时上下的气压差已经大大减小，所产生的翼尖涡流也大打折扣，有效减少了诱导阻力。
翼梢小翼也并非百利而无一害，更不是越大越好。额外的小翼结构增加了重量、增加了机翼在空气中的摩擦阻力、增加了飞机驻场转运、停靠航站楼所占用的空间。因此，基于各种飞行器的不同飞行需求，并随着对空气动力学的理论研究逐渐深入，民机历史上出现了各种各样的翼梢装置。
梯形翼梢小翼（单段式翼梢、端板式小翼）最早出现于20世纪80年代末的B747-400，也在此后同时应用在A330、A340飞机上，较为显著的特征是其侧面呈一个面积较大的梯形，且与机翼之间没有平滑的过渡，像折纸一般被从机翼上“折”起来。翼尖帆（飞镖式小翼）被用于截至目前世界上最大的客机——A380的机翼上，也见于A300、A310以及部分老式的A320上，其显著特点就是小翼侧面几乎垂直于机翼平面，小翼上下几乎对称，整体长得类似一个“飞镖”。
双叉弯刀式小翼（双羽式小翼）被用于波音737max系列飞机上，显著特点为在翼尖处出现了一个“人”字形的分叉，也可以理解为一个朝上、一个朝下的“双生”小翼。螺旋式翼梢小翼（双翼梢小翼）这种实验性的翼梢小翼被视为是翼梢小翼的“终极形态”，几乎能够彻底消除翼尖涡流。然而由于其外形复杂，制造难度、工艺性以及对材料的要求都很高，目前尚未运用在民机领域。融合式翼梢小翼被用于A320neo、A350等机型上，也是目前最为广泛采用的一种小翼设计，其明显的特点是与机翼的连接处浑然一体，呈一个圆滑的弧线，并略微向外倾斜。斜削式翼梢（后掠式翼梢）出现在波音767、777、787等机型，这种翼尖装置并不会如上述小翼般向上翘，而是如刀尖一般向后倾斜，与机翼形成一定的后掠角。翼尖帆板这种翼尖装置通常出现在较老式型号的飞机机翼末端，视觉上体现为长在机翼末端的几个“爪子”。
小翼虽小，却能“四两拨千斤”，不仅能减少飞行时产生的翼尖空气涡流，降低飞行诱导阻力，还能起到省油、降噪等功效。
在我们的国产大飞机——C919飞机上，便是采用的“超临界机翼+融合式翼梢小翼”的设计。超临界机翼设计允许飞机在高航速下保持较小的阻力，同时能够保证机翼有较大的厚度及较小的后掠角属于飞行器设计中的尖端技术。针对性能敏感的超临界机翼，我们的设计人员另辟蹊径，设计出了与机翼翼型浑然一体的融合式鲨鱼鳍翼梢小翼，也成为了航空爱好者们辨识C919飞机的显著标志之一。
来源 | 《大飞机报》
部分图片来源 | 微信@波音中国、空中客车
编辑 | 许潇
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