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征服阻力——翼梢小翼的秘密 阻力是飞行的大敌，阻力的反面就是节油。对于斤斤计较的民航界来说，降 低阻力就等于装进口袋的白花花的银两。对于空军来说，降低阻力则意味着更远 的航程或者更大的载弹量，这是可能决定战斗命运的大事。航空科技的历史充满 了征服阻力的努力，流线型概念就是从航空科技开始的。时至今日，绝大多数客 机、运输机的基本外形大同小异，正是因为已经高度优化的结果，要进一步降低 阻力，人们常常有潜力挖尽的感慨。但新技术正在涌现，可能改变飞机减阻。 传统客机、运输机采用圆筒形机体，截面如果不是纯圆形，也是近似圆形， 或者大小两个圆形叠加起来的葫芦形（如波音 747 和空客 A380），但平顺的圆 桶在中段与机翼对接的部位，通常有显著的隆起。在波音707 时代，这个隆起还 不显著；现代客机如空客A350 的这个隆起已经非常显眼了。从结构上来说，机 体与机翼对接并不需要有如此之大的隆起，波音707 时代的结构技术还不如现在， 就没有这样显著的隆起。这是为了符合跨音速面积律而采用的。 早期的波音707 中机身相对平直，没有明显隆起 相比之下，现代的空客A350 中机身有明显隆起，这是面积律的需要 飞机前飞时，对前方空气产生压缩，压力波向前方一层一层按音速传递，好 比千层酥一样。速度越快，千层酥越紧密。亚音速飞行时，前方空气有序“闪开”。 超音速飞行时，千层酥已经压实了，形成激波。这个空气受到强力压缩后形成的 高密度层在理论上密度可以达到无穷大，好比虚拟的石墙一样。激波通常是锥形 的，速度越快，锥形越尖锐；但速度正好在音速时，锥形就展开了，像平面墙一 样。超音速飞行时，飞机像顶风打伞一样“顶着”激波锥飞行，速度越大，激波 锥越尖锐，阻力反而越小。正好跨音速飞行时，激波还不成锥，只是与飞行方向 垂直的虚拟“石墙”，阻力反而最大。这就是所谓的音障。民航客机在高亚音速 巡航，但局部气流已经达到音速，正好是音障肆虐的速度段。 在50 年代，人们发现了跨音速面积律，也就是说，为了是跨音速阻力最小 化，飞行器的形状不是太要紧，要紧的是沿纵轴的横截面积要均匀变化。彻底的 直筒子的横截面积是一致的，当然符合面积律。但加上机翼后，中机身短的横截 面积就突然增大了，破坏了面积律。宽厚、较大后掠和较小展弦比的后掠机翼还 容易做到面积律，但较小后掠、较高展弦比才能提高机翼升阻比，减阻节油，这 就只有用中机身隆起来做到面积律了。 不过较小后掠对于高亚音速巡航不利。机翼通过翼型对机翼上表面气流加速， 上下表面气流的速度差导致压力差，这样形成升力。机翼后掠可以降低与机翼前 缘相垂直的法向气流速度分量，推迟达到音速和形成激波。但与同样翼展的平直 翼相比，后掠翼的结构重量大，翼面积大，摩擦阻力也大，还有翼尖失速问题。 常规翼型通过半水滴形的形状，形成上下表面的气流速度差。机翼上表面气流加 速即使产生升力的源泉，也是气流提前达到音速导致激波阻力的祸首。答案是超 临界翼。 传统机翼（左）和超临界翼（右） 超临界翼的剖面有点像尾巴下垂的短尾蝌蚪，或者说像特别肥厚而且上下差 不多对称的普通翼型，但后部下半挖掉一勺。上下几乎对称使得上表面气流加速 减少，延迟激波的产生。但后部下半向上挖掉一勺才是超临界翼的奥妙所在。由 于下表面的压力依然较高，下表面气流到达上凹后，沿蝌蚪尾巴下垂弧线向后下 方“甩出”，与上表面同样向后下方导出的气流汇合在一起，形成下洗气流，产 生升力。与常规翼型相比，超临界翼较少利用上下翼面的速度差产生升力，而是 更主要地利用下洗气流产生升力。减少加速意味着可以用较小的后掠角。另外， 更加圆钝的前缘有利于气流吸附到机翼表面，减少气流分离，推迟进入失速。动 力飞行说到底就是用阻力换升力的过程，机翼是飞机上产生升力的最主要装置， 高升阻比的机翼是节油的关键，因此超临界翼在现代客机和运输机上已经必不可 少了。 机翼下表面高压气流向上表面卷过去，形成翼尖涡流。图中中线象征虚拟的截面 积为零的机身，这是为了简化气动分析 这是更加详尽的机翼压力分布 翼尖涡流拖带在翼尖之后，形成可观的阻力 在起飞速度时，已经有显著的翼尖涡流 气象条件合适的话，可以看到可观的翼尖涡流 翼尖小翼对降低翼尖涡流的作用 翼尖小翼不可能消除翼尖涡流，只能降低涡流强度，其中小翼形状及与机翼的融