浅析翼尖小翼原理及其应用.doc

航空航天技术概论课程论文2010-2011夏学期论文题目：浅析翼尖小翼原理及其应用论文概要：本文着眼于目前翼尖小翼的应用cm现状，阐述了翼尖小翼的相关原理和特性, 说明了翼尖小翼对于飞机空气动力特性的 影响，列举了几类目前广泛应用的翼尖小翼 形式，并且说明了翼尖小翼的最优化参数选 择，也提出了未来翼尖小翼可能的发展方向提交日期：2011年6月21日引言：翼尖小翼（winglet或wingtip）,又称作翼尖帆或翼端帆，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飞机维持正常飞行时所需的升力是靠机翼上下表面的压力差产生的，由于上下表面压差的存在，翼尖附近机翼下表面空 气会绕流到上表面，形成翼尖涡，致使翼尖附近区域机翼上下表面的压差降低，从而导 致这一区域产生的升力降低翼尖小翼可以通过阻碍上下表面的空气绕流来削弱这种绕 流现象对升力的影响，降低因翼尖涡造成的升力诱导阻力，减少绕流对升力的破坏，提 高升阻比，达到增加升力的目的对于有动力航空器来说还可降低油耗现广泛应用于 航空、军事、赛车等领域本文着重探究翼尖小翼的原理及其现阶段的应用，同时将展 望其未来的应用前景关键字：翼尖小翼诱导阻力涡流 正文：飞机飞行中的主力主要有压差阻力、粘滞阻力和诱导阻力。

压差阻力和粘滞阻 力会很快地转化为热能，我们可以改变的只有诱导阻力翼尖小翼”正是通过减少诱 导阻力，从而提高了飞机的爬升能力、起飞重量并减少了油量的消耗如图1 所示，机翼所产生的升力，一部分用来消除诱导阻力，另一部分用来提供升图2力如果能减小诱导阻力，就可以 更有效地利用机翼产生的升力，提 高效率图2 左侧为一般机翼的升 力示意图，右侧为安装翼尖小翼后 的升力示意图一般情况下，翼梢小翼的翼面 形状类似于机翼，装在机翼翼尖处 与机翼所在平面呈一定的角度加装小翼后能明显地改变机翼翼尖附近的流场，减弱翼尖旋涡，减少了与阻力直接相关的 能量消耗随着机翼近涡中心的横向流速的显著减小，近机翼流动下洗减少，因而显著 地减小了机翼的诱导阻力据报道，在 KC135 空中加油机上进行的加装翼梢小翼的飞行试验表明，它可使飞 机的诱导阻力下降15%,升阻比提高5%〜8%，耗油量减少9%,其性能的改善相当可 观波音公司研发的"融合式翼梢小翼”，可降低飞机轮挡油耗3%〜5%,降低飞机起飞 时机场噪声约 6.5%而翼尖小翼还有其它作用，包括端板效应和分散翼尖涡，不过也应该看到，翼梢装 置本身产生的升力，会造成机翼展向压心外移，机翼翼根弯矩有所增加，为了加强机翼 可能会增加结构重量，再加上翼梢本身的重量，就会使飞机的总重量略有增加，尤其在 小升力系数下，翼梢装置本身产生的阻力会大于其带来的受益。

但是现阶段翼尖小翼也有其不足之处首先，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，增加了翼尖小翼其对飞机 的制造成本和制造工艺都有了新的要求其次，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变得较差因此，并不是 增加翼尖小翼后，飞机的所有性能都有提高同时，飞机在一定的巡航阶段翼尖小翼的 节油特性才发挥的比较明显，超过这个速度范围其并不太大的实际意义，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图 1：只用于空客 A300图 2：只用于空客 A310、A318、A319、A320、A321、A380图3：大部分飞机通常都安装这款，如A330、A 340、B747、CRJ、MD11等等图 4：未安装翼尖小翼为了弥补翼尖小翼存在的不足和最大程度的利用翼尖小翼带来的效益，在使用翼尖 小翼的时候，需要对一下参数进行优化设置1）高度 增加翼梢小翼高度即增加其展长，可产生较好的功效但过高的翼梢小翼会产生较 大的翼根弯矩，这将付出要加强机翼结构设计的代价。

所以翼梢小翼的高度是根据气动 和结构的综合需求而定的，一般情况下翼梢小翼的高度为机翼半展长的10%左右2）后掠角 为了使翼尖装置在临界状态有满意的特性，并且使小翼的边界特性好于机翼的边界 特性，一般要求翼梢小翼的后掠角应略大于或基本等于机翼的后掠角3）尖梢比 当翼梢小翼的尖梢比使其展向的法向力系数近似不变时，具有最大的气动效率为 了达到这种希望的展向载荷分布，要求翼梢小翼有较大的尖梢比4）倾斜角 翼梢小翼的弦平面与地平面的垂直面之间的夹角定义为倾斜角为了使翼梢小翼能 有效地减小诱导阻力，并使机翼翼尖和小翼根部交界处在超临界状态下产生的流动干扰 较小，要求翼梢小翼外倾但外倾角不能过大，否则会导致较大的翼根弯矩，需要结构 加强而付出重量增加的代价一般倾斜角在15°左右5）安装角和扭转角 翼梢小翼的安装角是翼梢小翼的根弦方向与机翼翼弦方向的夹角，在翼梢小翼的所 有设计参数中对性能的影响很大对于翼面上的翼梢小翼，一般是前缘向外，有负的几 何安装角，这是因为有效的内流角要比在设计条件下达到所希望的法向力系数所需的小 翼迎角更大在小翼需要有大弯度时，这个负迎角更为重要通常，最佳的安装角要通过一系列的试验来决定。

在一般流场中，为了在后掠的小 翼上得到所希望的展向载荷分布显然需要扭转，但是，在机翼上随小翼展向高度的增加 而减小的内流几乎提供了所希望的气动扭转因此小翼的设计中通常不采用扭转6）小翼的前后位置 小翼根弦前缘位置通常以翼尖剖面的最大厚度线为参考，若太靠前，则会使得小翼 内表面上增大的速度和机翼翼尖前部的上表面速度相叠加，加大了流动干扰，容易引起 气流流动分离；如太靠后则会引起结构上的困难同时，前缘太靠后会使小翼的根部弦 长变短，降低小翼效率资料表明：翼梢小翼的前缘放在机翼翼型脊点附近，后缘靠近 机翼后缘，这可望获得最大的小翼效率7）翼梢小翼下小翼参数的选择 从理论上说，在翼尖下面的一个近似垂直的小翼翼面应该和在翼尖上面有同样高度 的小翼翼面同样有效但是，下小翼一般比最佳长度短（由于近地面等因素）试验表 明，即使这样一个下小翼，与翼梢的大的上小翼组合后也提高了小翼的效率，特别是在 高升力系数下同时，下小翼在某种意义上，还可减小翼根弯矩当机翼处于高升力状态下时，下小翼向前放置能最大限度减小上小翼内侧前部区域 通常很大的诱导速度当下小翼的根部后缘和上小翼的前缘流线一致时，有利的影响几 乎是最佳的。

但是，要找出各种飞行条件下都满意的下小翼形状是困难的，不过，如上 小翼一样,下小翼也需要考虑弯曲和扭转下小翼的外倾将会增加这个翼面对上小翼流动的有利干扰分析表明，最满意的综合 特性大多是在下小翼只有很小或没有 向外倾斜角的情况下达到的查阅相关文献，通过气动力特性的 计算（图 3），可以得到以下结论：（1）基本机翼加装翼尖小翼使得 机翼升力显著增加，失速迎角、最大升 力系数均有所提高可见，翼尖小翼装 置可以改善飞机机翼的失速特性；但加 装翼尖小翼对机翼的升力线斜率影响 不大2）在小迎角飞行条件下，翼尖 小翼的减阻效果并不明显，但随着迎角 的增加，翼尖小翼的减阻效果越加明显 翼尖小翼在小迎角飞行条件下减阻效 果不明显的主要原因包括：A翼尖小翼 本身由于增加了飞机的浸湿面积而产 生一部分的摩擦阻力；B在翼尖小翼与 基本机翼翼尖的交界处，由于干扰效应 存在一部分干扰阻力图3亠汩m輕帖小靄（3）加装翼尖小翼使得机翼的纵 向进稳定性均有所增加在小迎角的范 围内，基本翼以及带翼尖小翼的机翼俯仰力矩保持良好的线性性，而随着迎角的增加， 俯仰力矩出现了不同程度的上仰这是因为 在大迎角飞行条件下，机翼上翼面出现局部 分离，使得焦点前移，从而出现俯仰力矩上仰。

翼尖小翼对基本翼俯仰力矩特性的影响 可以归结为以下两点：A基本翼加装翼尖小翼增加了机翼的有效展开弦比，翼尖小翼在 翼尖附近产生附加升力，而该升力作用点在重心后面，提供了飞机头部向下的力矩； B 翼尖小翼使得基本翼翼尖形成漩涡，漩涡有缓和翼尖分离的作用目前翼尖设计可分为翼尖修形和加装翼尖装置两类，前者主要有剪切翼尖、抛物翼 尖和双曲翼尖等；翼尖装置从作用上来看又分为两类：被动形式，如翼梢端板、翼梢帆 片、翼梢小翼等，是通过改善翼尖涡，减小飞机的诱导阻力；主动形式，如翼尖涡轮等， 是通过利用翼尖涡的能量做功，如发电等国外许多飞机公司先后利用这一简单而有效的装置，在各自的大型民用飞机上加翼 梢小翼，如波音747—400、DC-10、MD-11、图一204、CRJ等飞机但大多数波音系 列的民用飞机，机翼翼尖多采用曲线形式的翼尖修形，来改善机翼翼尖的流动，尽管对 减小飞机诱导阻力的贡献不如翼梢小翼等，但也避免了因加装翼梢小翼带来的重量以及 其他方面的不利影响空客系列飞机的翼尖设计很有特点，基本上都采了翼尖涡扩散器，减阻效果也不错近年来，国外在新概念翼尖研究方面取得显著成果，提出了 "融合式翼尖装置"、 " 螺旋式翼尖装置"等。

其中"融合式翼梢小翼"已成功应用在波音 737—800 等飞机上，减阻等方面的效果 非常显著与常规的翼尖装置相比， "融合式翼尖装置"在设计概念上有较大的不同，机 翼翼尖弦向光滑地过渡到翼尖小翼上，这将大大改善翼尖小翼和机翼端部交接区的流场 将气流干扰和分离降到最低程度此外，融合式翼梢小翼的加装减小了后掠翼飞机翼尖效应的影响区，有效地延长了 机翼表面等压线的长度，提高了飞机巡航状态的气动效率，同时还起到了通常概念上翼 梢小翼减小翼尖涡强度的作用螺旋式翼尖装置是将水平小翼和竖直小翼在它们的顶点处连接起来的一种翼尖形 式，当前的研究表明，这种非常规的装置在减小翼尖涡方面可能更有前途有关文献表 明，当融合小翼的高度为半翼展的6%时，诱导阻力下降 4%，而当螺旋小翼的高度为半 翼展的 3.8%时，诱导阻力能下降3.3%不过，螺旋小翼几何形状相对复杂而难以优化， 对其制造和使用将是较大的限制总之，随着新概念翼尖装置研究的不断深入，作为飞机减阻、降噪等方面的一种有 效的措施，具有很广阔的应用前景参考文献：1、 《从飞机性能看翼尖小翼》（运控中心性能室朱熹）2、 《运输类飞机翼尖装置综述》（国际航空 2006;5 司江涛任晓峰王健）3、《飞机翼尖小翼的利与弊》（民航海南空中交通管理分局三亚区管中心傅永强）4、《翼梢小翼几何参数对机翼气动特性影响研究》（科学技术与工程 2010;14 西北工业 大学航空学院付伟赵旭司亮）5、《翼尖帆片的优化设计》（空气动力学报 1995;3 南京航空航天大学郑本武陈明岩齐 孟卜）6、《机翼翼尖减阻装置的应用和发展》（南京航空航天大学学报 1994;2 唐登斌钱家祥 史明泉）。