淺析翼尖小翼原理及其應(yīng)用

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1、航空航天技術(shù)概論課程論文2010-2011夏學(xué)期論文題目：淺析翼尖小翼原理及其應(yīng)用論文概要：本文著眼于目前翼尖小翼的應(yīng)用現(xiàn)狀，闡述了翼尖小翼的相關(guān)原理和特性，說(shuō)明了翼尖小翼對(duì)于飛機(jī)空氣動(dòng)力特性的影響，列舉了幾類目前廣泛應(yīng)用的翼尖小翼形式，并且說(shuō)明了翼尖小翼的最優(yōu)化參數(shù)選擇，也提出了未來(lái)翼尖小翼可能的發(fā)展方向。提交日期：2011年6月21日引言：翼尖小翼（winglet或wingtip），又稱作翼尖帆或翼端帆，通常用于提高固定翼航空器機(jī)翼的效率，也可用來(lái)改善航空器的操縱特性。飛機(jī)維持正常飛行時(shí)所需的升力是靠機(jī)翼上下表面的壓力差產(chǎn)生的，由于上下表面壓差的存在，翼尖附近機(jī)翼下表面空氣會(huì)繞流到上表面

2、，形成翼尖渦，致使翼尖附近區(qū)域機(jī)翼上下表面的壓差降低，從而導(dǎo)致這一區(qū)域產(chǎn)生的升力降低。翼尖小翼可以通過(guò)阻礙上下表面的空氣繞流來(lái)削弱這種繞流現(xiàn)象對(duì)升力的影響，降低因翼尖渦造成的升力誘導(dǎo)阻力，減少繞流對(duì)升力的破壞，提高升阻比，達(dá)到增加升力的目的。對(duì)于有動(dòng)力航空器來(lái)說(shuō)還可降低油耗?，F(xiàn)廣泛應(yīng)用于航空、軍事、賽車等領(lǐng)域。本文著重探究翼尖小翼的原理及其現(xiàn)階段的應(yīng)用，同時(shí)將展望其未來(lái)的應(yīng)用前景。關(guān)鍵字：翼尖小翼誘導(dǎo)阻力渦流正文：飛機(jī)飛行中的主力主要有壓差阻力、粘滯阻力和誘導(dǎo)阻力。壓差阻力和粘滯阻力會(huì)很快地轉(zhuǎn)化為熱能，我們可以改變的只有誘導(dǎo)阻力?！耙砑庑∫怼闭峭ㄟ^(guò)減少誘導(dǎo)阻力，從而提高了飛機(jī)的爬升能力、起

3、飛重量并減少了油量的消耗。圖1如圖1所示，機(jī)翼所產(chǎn)生的升力，一部分用來(lái)消除誘導(dǎo)阻力，另一部分用來(lái)提供升力。如果能減小誘導(dǎo)阻力，就可以更有效地利用機(jī)翼產(chǎn)生的升力，提高效率。圖2左側(cè)為一般機(jī)翼的升力示意圖，右側(cè)為安裝翼尖小翼后的升力示意圖。圖2一般情況下，翼梢小翼的翼面形狀類似于機(jī)翼，裝在機(jī)翼翼尖處與機(jī)翼所在平面呈一定的角度。加裝小翼后能明顯地改變機(jī)翼翼尖附近的流場(chǎng)，減弱翼尖旋渦，減少了與阻力直接相關(guān)的能量消耗。隨著機(jī)翼近渦中心的橫向流速的顯著減小，近機(jī)翼流動(dòng)下洗減少，因而顯著地減小了機(jī)翼的誘導(dǎo)阻力。據(jù)報(bào)道，在KC135空中加油機(jī)上進(jìn)行的加裝翼梢小翼的飛行試驗(yàn)表明，它可使飛機(jī)的誘導(dǎo)阻力下降15%

4、，升阻比提高5%～8%，耗油量減少9%，其性能的改善相當(dāng)可觀。波音公司研發(fā)的"融合式翼梢小翼"，可降低飛機(jī)輪擋油耗3%～5%，降低飛機(jī)起飛時(shí)機(jī)場(chǎng)噪聲約6.5%。而翼尖小翼還有其它作用，包括端板效應(yīng)和分散翼尖渦，不過(guò)也應(yīng)該看到，翼梢裝置本身產(chǎn)生的升力，會(huì)造成機(jī)翼展向壓心外移，機(jī)翼翼根彎矩有所增加，為了加強(qiáng)機(jī)翼可能會(huì)增加結(jié)構(gòu)重量，再加上翼梢本身的重量，就會(huì)使飛機(jī)的總重量略有增加，尤其在小升力系數(shù)下，翼梢裝置本身產(chǎn)生的阻力會(huì)大于其帶來(lái)的受益。但是現(xiàn)階段翼尖小翼也有其不足之處。首先，增加翼尖小翼在成本上的投入是較大的，而且后期維護(hù)的成本也相對(duì)較高。因此，從成本的角度，增加了翼尖小翼其對(duì)飛機(jī)的制造成本

5、和制造工藝都有了新的要求。其次，增加翼尖小翼后雖然爬升性能和速度方面有顯著提高，但是其抗大側(cè)風(fēng)的能力，以及轉(zhuǎn)彎的性能相對(duì)變得較差。因此，并不是增加翼尖小翼后，飛機(jī)的所有性能都有提高。同時(shí)，飛機(jī)在一定的巡航階段翼尖小翼的節(jié)油特性才發(fā)揮的比較明顯，超過(guò)這個(gè)速度范圍其并不太大的實(shí)際意義，這也是為什么在對(duì)機(jī)動(dòng)性能要求較高的軍用飛機(jī)上基本沒(méi)有加裝小翼的原因之一。同時(shí)，民航飛機(jī)如果僅是支線等短程航線飛行，其小翼并沒(méi)有什么優(yōu)勢(shì)。圖1：只用于空客A300。圖2：只用于空客A310、A318、A319、A320、A321、A380。圖3：大部分飛機(jī)通常都安裝這款，如A330、A340、B747、CRJ、MD1

6、1等等。圖4：未安裝翼尖小翼為了彌補(bǔ)翼尖小翼存在的不足和最大程度的利用翼尖小翼帶來(lái)的效益，在使用翼尖小翼的時(shí)候，需要對(duì)一下參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置。（1）高度增加翼梢小翼高度即增加其展長(zhǎng)，可產(chǎn)生較好的功效。但過(guò)高的翼梢小翼會(huì)產(chǎn)生較大的翼根彎矩，這將付出要加強(qiáng)機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的代價(jià)。所以翼梢小翼的高度是根據(jù)氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)的綜合需求而定的，一般情況下翼梢小翼的高度為機(jī)翼半展長(zhǎng)的10%左右。（2）后掠角為了使翼尖裝置在臨界狀態(tài)有滿意的特性，并且使小翼的邊界特性好于機(jī)翼的邊界特性，一般要求翼梢小翼的后掠角應(yīng)略大于或基本等于機(jī)翼的后掠角?！　。?）尖梢比當(dāng)翼梢小翼的尖梢比使其展向的法向力系數(shù)近似不變時(shí)，具有最大的氣動(dòng)

7、效率。為了達(dá)到這種希望的展向載荷分布，要求翼梢小翼有較大的尖梢比。（4）傾斜角翼梢小翼的弦平面與地平面的垂直面之間的夾角定義為傾斜角。為了使翼梢小翼能有效地減小誘導(dǎo)阻力，并使機(jī)翼翼尖和小翼根部交界處在超臨界狀態(tài)下產(chǎn)生的流動(dòng)干擾較小，要求翼梢小翼外傾。但外傾角不能過(guò)大，否則會(huì)導(dǎo)致較大的翼根彎矩，需要結(jié)構(gòu)加強(qiáng)而付出重量增加的代價(jià)。一般傾斜角在15°左右?！。?）安裝角和扭轉(zhuǎn)角翼梢小翼的安裝角是翼梢小翼的根弦方向與