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现代飞机机翼为什么末端会翘起?

下一次搭飞机的时候眺望一下窗外,看看这架飞机机翼的末端是什么样子的设计。不要小看那不起眼的小小的设计,原来对乘客的舒适感具有不小的影响。

搭飞机时向窗外望去,你会发现飞机机翼的末端通常会向上翘起。

现代飞机机翼末端已经很少见到完全平坦的设计,一般都带有小翼(winglet),有的以一定弧度向上弯曲翘起,有的呈一定角度向上折起,还有的机翼末端是分开上下两小片的设计。

美国宇航局(NASA)的网站介绍说,这些小翼平均来说可以帮助飞机节省高达5%的燃料。就拿常见的波音737机型来说,这意味着一年可以省下100,000加仑燃料。想想看,各大航空公司、各种机型都用上这种设计,所省下的燃料费用总计高达数十亿美元。

这些设计可以减少飞机飞行时机翼末端所产生的气旋对飞机的影响。对于一架小飞机来说,如果穿过大飞机后面的尾流,这些气旋的力量足以让小飞机倾翻。这是空气动力学家早就意识到的问题,据说莱特兄弟在完成他们的设计之前,已经考虑到了这个问题。可是,直到近代,飞机才普遍用上小翼的设计。

飞机在飞行的时候,空气对机翼的底部所产生的压力比顶部大得多,从而产生提升力。可是机翼末端底部的空气会上卷、并与机翼顶部压力较小的气流相遇,产生一个小型龙卷风。这股龙卷风延展到飞机的后方,产生阻力,导致飞机浪费一些能量。

NASA尼尔阿姆斯特朗飞行研究中心(Neil Armstrong Flight Research Center)前首席科学家阿尔?鲍威尔斯(Al Bowers)说:“被留在空气中的能量来自飞机。如果找到办法捕获这部分能量,把它留给飞机,这些浪费在尾流的能量就能被节省下来。”

1897年,英国空气动力学家弗雷德里克?W?兰开斯特(Frederick W. Lancaster)提出了“机翼尾板”(wing endplates)的设计,并获得了专利。那时的设计就是给机翼末端安装两块向上竖起的平板,阻止机翼底部和顶部空气相遇。鲍威尔斯说,但是平板的设计对飞机的升力帮助不大。

到了上世纪70年代,NASA工程师理查德?惠特科姆(Richard Whitcomb)提出了更好的设计。他发现鸟类起飞的时候总是把翅膀的末端翘起,由此得到灵感,发现应该把这个翘起的部分设计成机翼的形状,在空气动力学上会得到最佳的效果。于是,飞机“小翼”的名字应运而生。

但是出于对成本的考虑,只有少数几家公司给他们的飞机装上这种小翼。直到上世纪90年代中期,一家名为Aviation Partners的公司,推出更好的一种设计后,终于越来越多的飞机装上了这些小翼。

该公司与波音合资组建的公司Aviation Partners Boeing的总裁迈克?斯托威尔(Mike Stowell)说,他们设计的小翼不仅节省燃料,而且很美观,吸引了很多客户。一些公司为了让他们飞机的形象不输给竞争对手,而安装了这些小翼。

现在,大部分中小机型都装有小翼,不过它们的作用对于大型飞机来说就不那么显著。飞机的小翼也有了更多的设计,除了前面提到的几种,甚至还有环状的。一些喷气式商务机采用尾部带有一个闭合环的结构。

宾州州立大学(Penn State University)空气动力学家马克?D?莫默(Mark D. Maughmer)告诉CNN,在飞行中遇到湍流的时候,有没有小翼对乘客的体验差别还不小。“有一次我在一趟行程中搭乘了两架波音737,一架有小翼,另一架则没有。差别还是很明显的:没有小翼的那架飞机在遇到湍流的时候颠簸得很厉害,就像乘坐一辆跑车行驶在不平坦的路面上;而有小翼的另一架就像乘坐豪华轿车的体验。”

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