小火箭出品

很多客機(jī)的翼尖都會(huì)豎起一個(gè)被稱作“翼梢小翼”的物體，像極了一個(gè)人水平撐起雙臂后立起的手掌,，給飛機(jī)增加了不少美感,。法國飛機(jī)設(shè)計(jì)大師達(dá)索曾說過“漂亮的飛機(jī)其性能一定差不了”。那么,，為飛機(jī)外型增色的翼梢小翼是從什么時(shí)候開始出現(xiàn)在飛機(jī)上的,？它們又能夠?qū)︼w機(jī)的性能帶來怎樣的影響呢？

個(gè)頭兒雖小，輩分卻很高

雖然早期的客機(jī)普遍沒有翼梢小翼,，而且小翼通常會(huì)被當(dāng)作閃亮的新科技成為飛機(jī)制造商的宣傳重點(diǎn),，但實(shí)際上翼梢小翼的歷史可回溯到萊特兄弟的飛機(jī)上天之前，可算是飛機(jī)的長輩,。早在1897年,，英國空氣動(dòng)力學(xué)家蘭徹斯特（沒錯(cuò)，就是那個(gè)提出軍事運(yùn)籌學(xué)中的蘭徹斯特方程的那個(gè)人）在詳細(xì)解釋了機(jī)翼升力產(chǎn)生的原因之后不久就提出了在翼尖處加裝端板以改善機(jī)翼空氣動(dòng)力學(xué)特性的想法,。

這就是蘭徹斯特,。話說拍個(gè)照拍成這個(gè)樣子，這是要被雕刻到硬幣上的節(jié)奏啊,。不過,，按貢獻(xiàn)來說，他早已夠資格刻到硬幣上了,。

1891年,，蘭徹斯特寫了一篇文章，指出重于空氣的飛行器是可行的,。1894年,，他成功地解釋了機(jī)翼產(chǎn)生升力的原理，比德國的庫塔和俄國的茹科夫斯基要早一些,，不過庫塔和茹科夫斯基的公式更好用,，以至于空氣動(dòng)力學(xué)里面用“庫塔-茹科夫斯基”的名稱來命名了相關(guān)的公式。1915年,，蘭徹斯特針對(duì)有限翼展機(jī)翼升力計(jì)算提出了附著渦和自由渦的概念,。奠定了升力線理論的基礎(chǔ)，還指出了湍流這個(gè)現(xiàn)象將會(huì)是個(gè)很難處理的問題,。

蘭徹斯特在1927年推出的油電混合動(dòng)力汽車概念車,，現(xiàn)存放于伯明翰自然科學(xué)博物館。

可惜,，囿于航空材料和加工工藝的限制,，蘭徹斯特提出的翼梢小翼的概念還不能很快得到應(yīng)用。在那個(gè)年代,，翼梢小翼對(duì)飛機(jī)升阻特性的改善無法勝過其給飛機(jī)帶來的額外重量,。該設(shè)計(jì)只能停在圖紙上。

1944年11月6日首飛的納粹德國He 162 戰(zhàn)斗機(jī)的翼尖使用了類似現(xiàn)代翼梢小翼的設(shè)計(jì),。這算是一次較早的嘗試,。

直到蘭徹斯特死后30年的1976年，美國NASA蘭利研究中心的惠特科姆博士才重新提起翼梢小翼,。同年,，波音公司立即在波音707運(yùn)輸機(jī)改裝而成的KC-135空中加油機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn),。小翼的重生一方面是由于上世紀(jì)七十年代爆發(fā)的能源危機(jī)使人們意識(shí)到了節(jié)油的必要性，另一方面是惠特科姆的個(gè)人影響,，這個(gè)曾提出過跨音速面積律和設(shè)計(jì)出超臨界翼型的人給出的建議無論如何也是值得一試的,。

這就是惠特科姆博士。他對(duì)航空航天領(lǐng)域的貢獻(xiàn)有三個(gè)：一是提出了跨聲速面積律（也就是說,，腰不細(xì)的飛機(jī),，在超聲速的過程中會(huì)很艱難）；二是發(fā)明了超臨界翼型,；三是發(fā)明（或者叫重新提出）了翼梢小翼,。

惠特科姆博士在1976年向NASA提交的翼梢小翼設(shè)計(jì)初稿。

數(shù)據(jù)表明,，KC-135在加裝小翼后,，最大飛行高度增加了3.4%，升力系數(shù)增大了4.88%,，巡航狀態(tài)升阻比提高了7.8%，航程增加了7.5%,。這次試驗(yàn)肯定了翼梢小翼的價(jià)值,，此后翼梢小翼開始大量出現(xiàn)在大型客機(jī)和運(yùn)輸機(jī)上。圖為在1979年到1980年期間,，進(jìn)行了翼梢小翼測(cè)試的那架KC-135,。

近距離看當(dāng)年的那架KC-135，能夠在翼梢小翼外側(cè)看到用于觀測(cè)氣流情況的小條條,。

小翼擋渦流,，誘導(dǎo)阻力小

小翼是怎樣對(duì)飛機(jī)性能施加影響的呢？這一切要從“誘導(dǎo)阻力”和“翼尖渦流”說起,。誘導(dǎo)阻力是飛行阻力的一個(gè)組成部分,。大型飛機(jī)在亞聲速狀態(tài)下巡航時(shí)，誘導(dǎo)阻力約占總阻力的40%,。正常飛行的飛機(jī),，其下翼面的壓力必定要大于上翼面，這個(gè)壓力差便是升力的主要來源,。

在翼尖處,，該壓力差迫使空氣從下翼面卷向上翼面。伴隨飛機(jī)的向前飛行,，上卷的氣流會(huì)從翼尖向后拖起一條長長的渦流,。渦流耗散著飛機(jī)的能量，像無形的繩索一樣拽著飛機(jī),，努力使飛機(jī)的速度減下來,，這便是誘導(dǎo)阻力的成因,。

從飛機(jī)后部向機(jī)頭看去，左側(cè)翼尖渦流呈順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng),，右側(cè)則為逆時(shí)針方向,。這樣渦流對(duì)正后方的飛行器產(chǎn)生一個(gè)向下的壓力，而對(duì)側(cè)后方的飛行器產(chǎn)生向上的抬升力,。大飛機(jī)飛過之后,，會(huì)在身后形成一個(gè)肉眼難以察覺的強(qiáng)大渦流，其他飛機(jī)（尤其是小型飛機(jī)）一旦卷入其中,，輕則顛簸不已,，重則機(jī)毀人亡。因此,，機(jī)場對(duì)飛機(jī)的起降間距有著嚴(yán)格要求,。

不過，翼尖渦流也有好的一面,。遷徙的雁群同樣要遵守空氣動(dòng)力學(xué)的規(guī)律,，大雁翅膀的“翼尖”也會(huì)產(chǎn)生渦流。機(jī)智的大雁懂得飛在頭雁的側(cè)后方排成人字或者斜一字以利用強(qiáng)壯的頭雁產(chǎn)生的渦流,。

不過,，客機(jī)一般不會(huì)以機(jī)群編隊(duì)的形式飛行，翼尖渦流還是小一些為妙,。翼尖渦流和誘導(dǎo)阻力是機(jī)翼為了產(chǎn)生升力而付出的代價(jià),，要想既保持上下翼面的壓力差又不讓氣流從下翼面向上卷，就只好把機(jī)翼做成無限長,，讓氣流找不到翼尖,。當(dāng)然，無限長的機(jī)翼只是個(gè)空想,，任何三維空間中的機(jī)翼都難以擺脫翼尖的存在,。于是退而求其次，把機(jī)翼做得足夠長,，讓翼尖處的氣流卷動(dòng)相對(duì)于整條機(jī)翼來說變得不那么明顯,。把機(jī)翼延長半展長（指從單側(cè)機(jī)翼從翼根到翼梢的距離）的10%，誘導(dǎo)阻力會(huì)減小17%,。但機(jī)庫大小和機(jī)翼結(jié)構(gòu)的限制使機(jī)翼不能做得很長,。只能再求其次，把延長的機(jī)翼向上折疊,，這就形成了翼梢小翼的樣子,。理論上，翼梢小翼的高度如果是半展長的10%,，誘導(dǎo)阻力會(huì)減小10%,，雖然沒有延長翼展的效果那么好,，但終歸是個(gè)可行方案。

埃塞俄比亞航空的一架波音737-700的翼梢小翼

KML的一架波音737-800的翼梢小翼

設(shè)計(jì)很巧妙,，高效又環(huán)保

現(xiàn)代小翼在繼承了早期小翼阻擋翼尖繞流的能力后,，還通過巧妙的設(shè)計(jì)來引導(dǎo)渦流，將一個(gè)大渦流分散為多個(gè)相互纏繞并相互耗散的較小的渦流,。

目前客機(jī)上的翼梢小翼主要分為兩大流派：一是單段式（如波音747-400）,，另一個(gè)是上下雙段式（如空客A310-300、A-380）,。圖為維珍航空的波音747-400,。

南非航空的一架波音747-400的翼梢小翼特寫。小翼根部為紅色的左側(cè)航行燈,。

A310-300

A380

單段式小翼通常會(huì)設(shè)計(jì)一個(gè)外傾角給飛機(jī)帶來附加升力,，但同時(shí)也會(huì)給翼根帶來較大的附加彎矩。由于小翼通常按巡航狀態(tài)設(shè)計(jì),，當(dāng)飛行距離較短的時(shí)候,，小翼的優(yōu)勢(shì)相對(duì)于給機(jī)身增加的重量和給翼根增加的彎矩來說就不明顯了，專門為日本國內(nèi)航線設(shè)計(jì)的波音747-400D因航程太短就取消了翼梢小翼,。圖為全日空日本國內(nèi)航線使用的波音747-481D,。

雙段式小翼有時(shí)也被稱作渦擴(kuò)散器。這種小翼專注于對(duì)渦流的阻擋和分割,，往往垂直于主翼面,，無法產(chǎn)生附加升力,，但因?yàn)椴粫?huì)帶來額外彎矩,，此種小翼對(duì)機(jī)翼的結(jié)構(gòu)沒有過高要求。兩種小翼的優(yōu)劣不好比較,，可謂是見仁見智,。即使是波音和空客兩大巨頭在對(duì)翼梢小翼的選取上也沒有一定之規(guī)。早期的波音飛機(jī)傾向于單段式小翼,，而早期空客系列卻青睞雙段式小翼,。

但是，2012年公開的波音737MAX的雙羽狀小翼與早期空客A320-200系列的雙段式小翼卻有幾分相似,。

而如今空客A320neo則以“鯊魚鰭”式單段式小翼替換掉了A320系列客機(jī)曾經(jīng)標(biāo)志性的雙段式小翼,。這有避免過長的下方小翼在極端條件下觸地的考慮，但也反映了在對(duì)小翼形狀,、尺寸,、外傾角這個(gè)多變量問題進(jìn)行多約束條件優(yōu)化時(shí)的多樣性。

以空客A350XWB和波音787為代表的高度融合小翼則又表現(xiàn)出了一種趨同：以較大曲率與主翼融合的小翼使人們很難判定主翼和小翼的確切分界,。理想的高度融合小翼在明顯削弱機(jī)翼展向流動(dòng)的同時(shí)還能產(chǎn)生一個(gè)附加的側(cè)向力,。這個(gè)力的分量一部分增加了飛機(jī)的升力,，另一部分則進(jìn)一步抵消阻力。

另外還有其他形式的翼梢小翼,，如C型小翼和螺旋式小翼,。C型小翼在原單段式小翼的頂部增加一段水平小翼，可進(jìn)一步減小誘導(dǎo)阻力,。這種小翼還能幫助飛機(jī)突破跨音速的勺型區(qū),，消除副翼反效的危險(xiǎn)。螺旋式小翼則在翼尖形成一個(gè)閉合的圓環(huán),，以兩個(gè)相互支撐的單段式小翼的構(gòu)型增加了翼尖的強(qiáng)度和削弱尾渦的能力,。上圖為達(dá)索獵鷹50公務(wù)機(jī)。

這些翼梢小翼雖不能像老鷹那樣對(duì)翼尖羽毛的扭轉(zhuǎn)進(jìn)行控制來控制渦流,，但已使飛機(jī)變得更加高效和環(huán)保,。每架裝有鯊魚鰭小翼的空客A320每年可減少1200噸碳排放。2010年,，APB宣布他們的融合式翼梢小翼技術(shù)替全世界航空公司節(jié)約了2億加侖燃料（意味著節(jié)省了40億美元的開支和減排了2150萬噸二氧化碳）,。升阻性能的提高使飛機(jī)在起降階段對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的要求降低，這就意味著更小的噪聲和更高的安全裕度,。尾渦的減弱會(huì)使飛機(jī)的起降間距變小,，給全球機(jī)場每年帶來大量額外收益。

在一些風(fēng)力發(fā)電機(jī)的槳葉上,，我們也能找到翼梢小翼的存在,。

帶有大尺寸翼梢小翼的一架PA-28

X-48B盡管機(jī)身設(shè)計(jì)款，但翼梢還是很眼熟的,。

圖-204,，翼梢小翼為其帶來了不少現(xiàn)代感。

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