[科普中国]-半环形机翼

背景

1985年去世的美国人卡斯特，因为提出了“半环形机翼”飞机设计概念，被人们称为短距起降之父。有人可能要问：上个世纪30年代末，与卡斯特同时代，有许多成功的短距起降飞机。它们都有极出色的短距离起飞与着陆的性能。那么，为什么没有称它们的设计者为短距起降之父，而只提卡斯特呢，况且他也不是最早设计短距起降飞机的人。

回答是这样的：卡斯特提出了与传统的机翼机械增升（如前后缘襟翼、开缝翼等改变机翼切面形状的措施）迥然不同的动力升力概念（借助飞机动力装置的能量提高飞机升力），为改善飞机的低速特性，开辟了更为有效的新途径。

早在20世纪20年代末，有一天，卡斯特亲眼目睹一座粮仓的屋顶被狂风拔起、飞掉的情景。他想：如果把粮仓屋顶看作是一种翼型，它不是上、下都处在相对气流中，而只是由气流吹过它的顶部，因而产生了更大的升力。于是，通过几年的模型试验，他设计成功一种半环形机翼，在它的接近后缘处安装推进式螺旋桨；机翼前方来的气流在半环形的通道内加速，因而提高了机翼的升力系数。这种机翼设计恰像一个涵道螺旋桨装置的下半部。

最后，他在1942年11月12日试飞了采用半环形机翼的CCW-1原型机。这种飞机在微风中起飞时，几乎不需滑跑就可以离地。CCW-1装有2台各75马力的发动机。根据计算，由半环形机翼提供的升力为平均每马力5.15千克，相当于常规机翼所产生升力的3.5倍。为了解决侧向安定性和操纵性，CCW-1还装有平直形的外翼，但后来证明，去掉外翼，这种飞机仍然可以飞得很好。

1943年，卡斯特向美国陆军的吉尔摩将军表演了他的CCW-1飞机。吉尔摩建议美国陆军航空兵的研究所对这种飞机进行了试飞和风洞试验。遗憾的是，试验在1947年中断。卡斯特个人认为，当时美国空军的兴趣已转向开发直升机。而实际原因，可能是战后美国空军压缩研究经费的缘故。

此后，卡斯特本人并未放弃，还是多方争取支援。1948年，泰勒飞机公司与他合作，在泰勒“幼狐”轻型飞机基础上，改装成为CCW-2原型机。最后，又利用装有2台各260马力“大陆”型发动机的鲍曼-250“旅长”型飞机改造成为CCW-5原型机。

1953年CCW-5（乘员5人）首飞成功。它起飞只需滑跑3秒钟，滑跑距离约30米即可离陆。应该说明的是它没有其他短距起降飞机必须依赖的襟翼、开缝等复杂的增升措施。它在空中有极好的气动特性：最大速度和最小速度之比将近10（一般飞机是3～4）；可以用一般飞机不能允许的小速度做大坡度盘旋；失速特性平和，无怪异现象。唯一有损它竞争潜力的缺点是结构较同等级飞机的重一些。

1964年，卡斯特终于筹集到一笔资金，开办了一家公司，生产自己设计的半环翼飞机。不料，正当第一架生产型CCW-5完成时，美国证券交易委员会的一项调查又扼杀了他的发明创造。

值得庆幸的是，就在卡斯特去世后不久，前苏联的安东诺夫飞机设计局按照他的设想生产了安-181短距起降飞机。在异国圆了这位发明家的梦。2000年，美国兰利研究中心的科学家丹尼斯·布什内尔发表论文，高度评价半环形机翼在未来先进短距起降飞机设计中的意义。2002年，美国国家航空航天局的布赖恩·坎贝尔和乔治亚工科大学的罗伯特·恩格拉，用以新技术改进的半环形机翼模型进行风洞实验的结果，证明这种气动外形的升力系数可以达到8.5（一般机械增升的先进水平约为3），而且阻力还有可能降低。1

原理ccw系列的本质是将机翼绕着螺旋桨直径弯曲，使得气流得以从翼面上方流过，直接在翼面上方产生一个负压区，从而产生比常规固定翼飞机更大的升力，常规固定翼飞机是在发动机推力或者拉力驱动机身前移的过程中，机翼前方气流流过翼面，由于同样气流在呈弧度翼面上下速度不一，上表面气流快，使得上下翼面产生压差，将机翼托起。ccw系列是直接把气流引致上翼面创造与下翼面的压差。
利用附壁效应的半环翼或者半涵道式飞机在升力上有很大优势，ccw-2据说有非常好的低速优势，最低时速据说只有18km，甚至于说它具备垂直上升和悬停的本领。
与之原理最接近的就是采用翼面吹气形式的短距离起落飞机，比如日本的飞鸟号，波音的yc-14，乌克兰的安-72，包括最有名的全金属迷你固定翼飞机“蟋蟀”，仅仅凭借装有两台137cc的单缸二冲程Rowena6507J发动机，输出功率9马力就可以轻松飞起来，也是借助其翼面吹气式的布局获得足够升力，但是那些机子采用的翼面吹气形式受到机翼平面形状以及喷气式发动机限制，只有部分受到高速气流吹袭，而且喷气式发动机喷出的高温气流吹拂对机翼表面要求很高，必须做防热和耐热处理。
作为螺旋桨驱动的飞机也许在发动机效率上落后，但是就布局而言，远不如半圆形机翼表面可以在螺旋桨产生的气流在与之相对应大小的半环翼表面范围里均匀分布好。1