浅析翼尖小翼原理及其应用

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1、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

2、，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

3、飞重量并减少了油量的消耗。图1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。图2一般情况下，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%

4、，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

5、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、A340、B747、CRJ、MD1

6、1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

7、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