空客波音新型號都採用了主翼末梢上翹的設計,這是為什麼?

最新的320NEO 787


那種比較大的叫翼尖小翼,空客飛機那種小小的跟箭頭一樣的,叫渦擴散器。目的都差不多,降低誘導阻力,很多答案都解釋得比較到位了。

但是,不應忽視的是,翼尖小翼可以降低誘導阻力,增加等效展弦比。但是它也有一個很明顯的副作用,就是增加翼根彎矩。這是因為翼尖小翼削弱了下洗,外翼段受益更多,會貢獻更多升力,自然會增加翼根彎矩,從而付出更多的結構重量代價。況且小翼本身也有重量。(答完發現 @崔巍 的答案評論里提及了這一點)因此,小翼裝還是不裝,裝多大的,都是需要權衡的,卻不是一個百利無一害的精妙設計。目前,翼尖小翼的大規模應用,除空氣動力學考慮外,是與材料和結構設計技術的進步分不開的。


除此之外,最容易忽略的一點,就是翼尖小翼還有市場營銷的考慮。空客A300和A320的箭頭狀小不點翼尖渦擴散器就被指責幾乎沒有氣動效果,僅僅是一個裝飾品,醒目的識別標誌而已--看,我跟B737不一樣哦。

結果,在新一代B737上,波音就搞了個碩大無比的翼尖小翼--分分鐘教空客怎麼賺眼球。
(可以看 @金淦答案里的貼圖)


熱門答案還是出現了一些經典的誤解:
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當氣流經過機翼上表面和下表面時,由於上表面路程比下表面長,則氣流要在相同時間內通過上下表面,根據S=VT,上表面流速比下表面大

這個完全是誤解,也有許多人澄清過了。 Incorrect Lift Theory
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由翼尖渦流產生的下洗速度,在兩翼尖處最大,向中心逐漸減少,在中心處最小。這是因為空氣有粘性,翼尖旋渦會帶動它周圍的空氣一起旋轉,越靠內圈,旋轉越快,越靠外圈,旋轉越慢。因此離翼尖越遠,氣流下洗速度越小。

實際上,下洗是通過無粘範疇的馬蹄渦理論推導出來的。翼尖渦的驅動力是壓力差,傳導也是靠壓力梯度,而非粘性。粘性反而是耗散翼尖渦的一種機制。沒有粘性的話翼尖渦就完全停不下來了呀。
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謝邀!@Owl of Minerva的理論分析,十分精彩。鑒於不是所有人都是搞流體的,我來簡述一下吧:機翼下方壓力大於上方,提供升力;在機翼邊緣(翼尖)處高壓氣體流向低壓形成翼尖渦旋(tip vortex)如下圖:

在翼尖裝一個小翼(翼翹)就阻斷了渦流。但是大家就好奇了,這樣翼尖還是存在啊,不會在小翼上形成新的渦流嗎?沒錯,當然還會,不過繞流發生在翼梢小翼的頂尖上而已,頂尖上壓差就小多了,繞流會弱很多,強度遠遠低於通常的翼尖繞流。

在翼尖裝一個小翼(翼翹)就阻斷了渦流。但是大家就好奇了,這樣翼尖還是存在啊,不會在小翼上形成新的渦流嗎?沒錯,當然還會,不過繞流發生在翼梢小翼的頂尖上而已,頂尖上壓差就小多了,繞流會弱很多,強度遠遠低於通常的翼尖繞流。
但是為什麼裝翼梢小翼?樓上都說提升穩定性等等,我這裡來重點說一下。原因有三:1.國際間對飛機最大體積做出限制。2.起飛和降落時的安全性。3.巡航時的穩定性。一下做個簡述吧。


一、國際間對飛機最大體積有一個限制,以免飛機在機場滑行時發生碰撞。因為很多機場的大小不一樣,而且一旦建成不可能再進行大的改動,而且很多時候停著好幾台飛機,如果機體過大,會在滑行時與其他飛機發生擦撞。這個限制是多少呢,大概是翼展小於80米。但是飛機越造越大啊,越大升力需求越大啊,機翼要加長啊,可是有限制啊!這時,工程師在風洞中發現,我們這個超長機翼5%的長度完全沒用,甚至在起反作用,這5%就是翼尖部分,由於渦流造成了升力損失。最後怎麼辦呢,仿生學起作用了,@Owl of Minerva答案里提到了,就是鷹(還是什麼品種?),這些鳥盤旋時末端羽毛向上彎曲幾乎垂直。於是工程師也給機翼加上了一個,風洞里測試,果然沒了,翼展沒增加,升力提升了,等於100%機翼長度都在提供升力。於是,我們看到重達560噸的空中巨無霸空客A380翼展控制在了79.8米,剛好在限值之下。

二、起飛和降落時的安全。渦旋這個東西受什麼影響呢?基本是三個:飛機大小,速度和翼型。飛機越大,渦旋越強,所以大飛機就更需要這個;起飛降落時影響最大,因為這是飛機在垂直方向會有加速度,機翼兩側壓差更大,繞流就更強烈了,這種對空氣強烈的擾動會持續一段時間,而不是大飛機飛走就沒事了。試想,一架沒有小翼超大型的客機起飛後,一個小飛機之後起飛會發生什麼呢?這個小飛機會立刻被大飛機留下的尾流卷進去,直接就旋轉跳躍我閉著眼~~~徹底失控了。為了減小這種這種惡勢力殘餘,小翼就很必要啦!

三、就是上面很多人說的穩定性了,雖然渦流僅僅發生在翼尖處,對於一些大飛機,減少這些渦流對巡航時穩定性影響也是很有必要的,但是鑒於小翼雖小重量不小,對於很多短程小飛機來說就不是很划算了,畢竟負荷打了,減少的阻力卻很有限,所以以前的一些小飛機並不採用,只有大型客機會用。當然現在新型飛機基本都會用了,現在新材料的出現使得其重量大大減小了,而且連有些賽車甚至風電機的葉片都用了,如下圖:


謝謝大家有耐心看完!


簡單的說就是使用翼梢小翼技術增升減阻
這也是一種仿生學設計:

循序漸進的回答這個問題:
1. 機翼升力與壓力差
2. 壓力差與渦流/誘導阻力
3. 如何減少誘導阻力

----機翼升力與壓力差----


把機翼縱向剖開,會形成一個翼截面或翼剖面,在航空上稱翼型。一般來說民航飛機的翼型是這樣子或者類似這樣子的。


根據連續性定理

假設:(1) 流體流速不太高,則流體不可壓縮,即在流體流動過程中,流體的密度不發生變化;(2)流體沒有滲漏。
則容易推出,流動是連續的,單位時間內進口處和出口處所流過的流體質量是相同的,單位時間流過各截面的流體質量相等。

又根據伯努利定理

在流體流動中,它的能量包含動能和勢能(壓力能)兩部分,根據能量守恆定律,如果把能量的損耗忽略不計,流體在各截面上的能量總和是不變的。
得到以下結論:
(1)在截面積小的地方流速大,截面積大的地方流速小;
(2)流速大時,靜壓小;流速小的地方靜壓大

於是我們有等時性推論

當氣流經過機翼上表面和下表面時,由於上表面路程比下表面長,則氣流要在相同時間內通過上下表面,根據S=VT,上表面流速比下表面大

從而:
當空氣流過機翼時,氣流會沿上下表面分開,並在後緣處匯合。上表面彎曲,氣流流過時走的路程較長,下表面下表面較平坦,氣流的行程較短。上下氣流最後要在一處匯合,因而上表面的氣流必須速度較快,才能與下表面氣流同時到達後緣。根據伯努利原理,上表面高速氣流對機翼的壓力較小,下表面低速氣流對機翼壓力較大,這就產生了一個壓力差,也就是產生了向上的升力


這便是機翼大部分地方的壓力情況。

----壓力差與渦流/誘導阻力----

同樣由於壓力差,正常飛行時,下翼面的壓強比上翼面高,而機翼翼展長度又是有限的,

同樣由於壓力差,正常飛行時,下翼面的壓強比上翼面高,而機翼翼展長度又是有限的,在上下翼面壓強差的作用下,下翼面的高壓氣流會繞過兩端翼尖,向上翼面的低壓區流去。當氣流繞過翼尖時,在翼尖部份形成旋渦,這種旋渦的不斷產生而又不斷地向後流去即形成了所謂翼尖渦流。這樣形成的漩渦稱為翼尖渦。

翼尖渦流使流過機翼的空氣產生下洗速度,而向下傾斜形成下洗流。

翼尖渦流使流過機翼的空氣產生下洗速度,而向下傾斜形成下洗流。
來看看實際的情況 (俄羅斯 圖95,沒有採用翼梢小翼)


由翼尖渦流產生的下洗速度,在兩翼尖處最大,向中心逐漸減少,在中心處最小。這是因為空氣有粘性,翼尖旋渦會帶動它周圍的空氣一起旋轉,越靠內圈,旋轉越快,越靠外圈,旋轉越慢。因此離翼尖越遠,氣流下洗速度越小。

於是降低了升力,並且產生了阻力。

於是降低了升力,並且產生了阻力。這種阻力約佔巡航阻力的40%

---- 如何減少誘導阻力----
前面我沒提到,由於機翼長度有限,下翼面的高壓氣流會繞過兩端翼尖,向上翼面的低壓區流去才會產生翼尖渦流。於是我們有這個辦法來完全避免翼尖渦流:
把機翼做成一個環

或者類似一個環

或者類似一個環

但是這樣做是有代價的:增加結構重量和控制難度。講究經濟效率的民航才不會這麼做。既然不能完全避免,那就以最小的代價減小翼尖渦流。

但是這樣做是有代價的:增加結構重量和控制難度。講究經濟效率的民航才不會這麼做。既然不能完全避免,那就以最小的代價減小翼尖渦流。

翼梢小翼的作用是重新調整翼尖渦流,使其更加遠離機翼外側並上移至層流之上。由於翼尖表面的壓差作用,空氣趨向於圍繞翼尖沿下表面向外側流動,內側機翼氣流則沿上表面流動。加裝翼梢小翼後,由其重新配位的小翼渦流在翼梢小翼周圍產生交叉氣流,此氣流通常與流過機翼表面的氣流垂直。由交叉氣流產生的側向力含有向前的分量因而產生阻力。翼梢小翼同時產生相應的推力。在原理上與行駛的帆船相似。帆船搶風行駛時,帆承受著劇烈的逆風,此時,水下的龍骨擠壓著帆船前行。還應當注意,翼梢小翼產生了增加展弦比的氣動效果(因此減少了誘導阻力),實際上卻未顯著加大翼展。此外使翼展增加最小化,其結果也使機翼彎距和結構重量的增加最小化。

是不是很經濟高效的解決方案?


視頻封面737 MAX「先進技術」翼梢小翼視頻能翻牆的同學可以看更加動態的解釋:
https://www.youtube.com/watch?v=Lc86Akaq3KQ


波音公司飛機翼尖小翼的設計與製造
視頻封面Boeing"s Advanced Technology Winglet視頻


翼尖小翼。

機理是防止機翼下方的氣流通過翼尖影響機翼上方的氣流。結果是省油。

737之類的老飛機型號的新改良,也增加了類似的設計。


787是弧形機翼啊 像鳥類學習的。neo號稱鯊鰭小翼類似boeing現在737ng上的那種。不過737max換成剪刀翼了。


Owl of Minerva回答的很完全了


雖然我空氣動力學學的不好,但我能看出來,樓上的回答有一些小問題,等時性理論是從根本上不正確的,可以通過實驗證明。當然,這並不是說回答的主體有問題,我也認為有誘導阻力的關係,只不過可能並不是這麼簡單單一的原因。
設計是工程師的事,往往是根據實驗數據和靈感得出的,我不覺得設計師會僅僅根據樓上提出的理論來更改設計,尤其是在翼型這個向來講究實驗的地方。所以,我的回答是:這個設計是在無數次實驗中總結出來的目前最優的方案。


學名叫做翼梢小翼或者翼尖整流片,功能就是增加升力和減小誘導主力。
原理上面都有詳細介紹的。我就上圖好了。
B737

B737MAX

B747

B747-8

A300

A320

A330


A340


A350


A380


CRJ200

CRJ1000


ERJ190


MD11


以上圖片來自東方航空的新浪微博,有興趣的可以自己去看看。


理論上我就不說了,今年我們公司進的320系列飛機全部翼間小翼改成了鯊鰭翼,就像樓主貼的圖一樣。今天沒有上班查不到具體的數據,但是沒記錯的話應該是可以增加5%的升力,同時油耗降低3%左右。我們的發動機型號是IAE V2500。
但是飛行員的實際反響比較一般,因為地面的時候翼展寬了近兩米,滑行時需特別注意,而在空中時的機動性也沒有明顯感覺好到哪裡去。


簡單地說,機翼在飛行中上下表面存在壓差(這個壓差的產生與所謂「等時性」無關),因而會導致翼梢處有「向下的氣流」(即翼尖渦),從而從而減少壓差、減少升力,因而增加油耗。為了預防這一現象,人們就發明了翼梢小翼(最初運用於A300B2飛機上)來「包住」氣流,阻止上下表面氣體交換的發生。小翼這東西可以在增加展弦比、減少誘導阻力的同時不增加機身實際寬度,聽起來是不是很厲害?
小翼這東西發展了N多年,最後在民航機上達到了MD-11、737MAX那種不能看的雙刀式小翼的地步。而在軍機方面,XB70的小翼產生的激波壓縮效應甚至已經成為了升力的主要來源(如果把機翼摺疊端看成小翼的魔改變異型的話)。
但是,那麼問題又來了——小翼自己也有無限遠處來流方向的截面積,也難免產生阻力,怎麼辦呢?
B家(波音)的工程師在設計777-300ER的時候想到了這個問題。他們的想法是把翼尖部分直接後掠上折,通過直接擾亂翼尖處流場來阻止翼尖渦的成型。此後,這種技術先後被用於787、747-8與777X機型上。外觀上這是一種非常漂亮的設計,但其實這種方式對翼尖渦的破壞效果相對於上/下折的正常小翼而言,效果並不太好。這只是一種在綜合各種因素後選擇的折中方案。


寧為機首,


增升減阻


降低誘導阻力,抑制翼尖渦。螺旋槳涵道提高效率也是類似原理


為了減緩氣流分離,是叫winglet還是sharklet?


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