[科普中国]-开裂式襟翼

襟翼

机翼的作用就是产生足够的升力使飞机能飞上天空。如果机翼是一个整体的话，那么在机翼面积、翼型、展弦比确定的情况下，它的最大升力也就是确定不变的了。如果飞机的全部重量是50吨，机翼必须产生490千牛以上的升力才能飞起来。我们知道，机翼面积越大，升力越大；速度越大，升力也越大。换句话说就是：在升力一定的情况下，机翼面积越大，起飞速度可以越小；起飞速度越大，机翼面积可以越小。因此，为了把这50吨的飞机弄上天，我们可以采取这样两个办法：一是选用面积较小的机翼，通过加大起飞速度使升力超过490千牛；二是使起飞速度保持在较低的值上，通过采用大面积机翼以产生490千牛以上的升力。
这两个办法行不行呢？第一个办法机翼面积较小，飞机的结构重量就较轻，这是优点，但起飞速度大是很不利的，一方面要求机场跑道很长，这很不合算，对舰载飞机更是不利；另一方面，高滑跑速度对安全的威胁极大。第二个方法起飞速度低，有利于缩短滑跑距离，但当飞机起飞后速度增加，大面积机翼便成了累赘，不但重量大使载重量减少，而且会使阻力剧增，飞机的耗油量因此显著增加。这种低速时升力小、高速时阻力大的问题称为飞机的高低速矛盾。怎样解决这一难题呢？这就要靠襟翼来实现。
襟翼的一个主要作用是协调这个矛盾，既不需要很大、很重的机翼，也能在较低的起飞着陆速度下产生足够的升力，使载重、速度、阻力和油耗达到综合性的最佳化。用整体一块的方式设计机翼不能同时满足大载重量、低起飞和着陆速度、低阻力和低耗油率的要求。由于襟翼具体作用是提高飞机起飞和着陆等低速阶段的升力，因而统称增升装置。
襟翼为什么能增加升力呢？在速度一定的情况下，提高升力的办法主要有4种：一是改变机翼剖面形状，增加翼型弯度；二是增加机翼面积；三是尽可能保持层流流动；四是在环绕机翼的气流中，增加一股喷气气流。襟翼就是通过改变翼型弯度、增加机翼面积、保持层流流动而增加升力的。1

襟翼的发展和开裂式襟翼襟翼概念出现得很早。第一次世界大战前，由于飞机速度提高，要求飞机在低速时也能产生足够的升力，于是有人开始了最简单的后缘襟翼的试验探索。
简单襟翼就是机翼后缘的一部分。它可以弯曲，这样就会改变机翼弯度，提高升力。不久，又出现了开裂式襟翼。当它放下时，一方面可使翼型变弯，一方面会在机翼后缘形成低压，两方面的效果都是增加了升力。通常，开裂式襟翼可使升力系数提高75%～85%。同时，开裂式襟翼还能增加阻力，对飞机安全、缓慢地著陆有利。
20世纪20年代，英国著名设计师汉德莱佩奇和德国空气动力学家拉赫曼发明了开缝襟翼。它是一条或几条附著在机翼后缘的可动翼片，平时与机翼合为一体，飞机起飞或著陆时放下。襟翼片能够增加机翼的面积，改变机翼弯度，同时还会形成一条或几条缝隙。增加面积可以提高升力，形成缝隙可使下表面的气流经缝隙流向上表面，使上表面的气流速度提高，可较大范围保持层流，也可使升力增加，并能减少失速现象的发生。开缝襟翼是襟翼中十分重要的一种。它也可以装在飞机前缘上，通常都是一条。目前大型飞机特别是客机都安装了双缝或三缝襟翼，可提高升力系数85%～95%，效果十分显著。

微型后缘开裂式襟翼背景1971年，美国一级方程式赛车手、设计师格尼(Gurney )发现，在赛车后翼板的后缘上安装一块与气流方向成90度角的窄板，能增大汽车的下坐力，从而改善赛车的抓地力以及提高赛车的弯道速度。这就是著名的格尼襟翼。

原麦克唐纳·道格拉斯公司对此通过风洞试验进行了深人的研究。研究结果表明，格尼襟翼不仅适用于赛车，同样也适用于飞机，所以麦道公司把这项技术应用于DC-10及其后继型MD-11飞机上，后来甚至连一些直升机的水平尾翼上都安装了这类格尼襟翼。只是应用于飞机上的格尼襟翼与汽车有所不同，飞机上的襟翼用于提高升力而非增加下坐力，所以需要安装在机翼后缘下表面。

10年前，由德意志联邦共和国经济部支持的“增升概念”项目，在直角型的格尼襟翼的基础上研制出了一种可调偏转角度的多功能后缘襟翼，将其命名为“微型后缘设计”(Mini-TED )，实际上这是一种微型的后缘开裂式襟翼。

在另一个涵盖多个学科的技术项目中，空中客车公司与EADS公司的研究中心联合制造出了一系列与此类似的微型后缘开裂式襟翼，并对其进行了试验和结构分析。

这些襟翼片以碳纤维复合材料制成，一般宽度为9-15厘米，被安装在后缘襟翼后缘下表面的边缘位置。

气动原理当这种微型后缘开裂式襟翼在飞行中被打开后，流过微型襟翼后的气流会产生两个互相反向旋转的涡流，形成一个吸力区，吸引机翼上表面的气流向下偏转，从而产生更大的升力。

由于这种微型襟翼尺寸很小，又设置在机翼的后缘，不会扰动整个机翼上表面的流场，所以几乎不会产生负面影响，并具有多种功能。

首先，微型后缘开裂式襟翼能有效增大临界迎角，延迟飞机失速的出现，从而增加了飞机进近着陆时后缘襟翼的升力，可以使飞机以更陡峭的进近角着陆，而在飞机起飞时，通过微型后缘开裂式襟翼可获得的相对更大升力，有助于飞机更快地离地。另一方面，由于飞机可以以更陡峭的进近角着陆，还能有效减少飞机在着陆过程中流场对低空的扰动区，也就是减少了噪声影响区。

微型后缘开裂式襟翼会产生一些阻力，但量级仍在可接受的范围内，而且在飞机进近着陆的过程中，该阻力还有助于飞机的进近着陆。其次，当飞机高速巡航飞行的时候，微型后缘开裂式襟翼同样能起到改善作用，因为机翼的强度设计(间接影响到机翼的重量)，部分取决于由大气湍流引起的应力，而微型后缘开裂式襟翼可自动通过偏转减轻湍流的影响。

当飞机遇到湍流流场时，通过飞行控制系统与湍流传感器相连的微型后缘开裂式襟翼能快速地向下偏转，根据湍流的大小和分布自动调整整个翼展的升力分布，从而减轻突风引起的载荷。所以如果在翼型设计阶段就将微型襟翼所能产生的这些效果考虑进去的话，机翼将有可能被设计得更轻。

此外，当飞机以接近马赫数1的速度飞行时，机翼上表面会由于激波的形成产生局部的超声速气流区，进而增大了飞行阻力。而通过打开微型后缘开裂式襟翼，可以有选择地调整升力分布，有效控制激波的形成，减小了阻力。这样一来，飞机不仅可以变得更轻、飞行阻力也更小了，也就意味着可节省更多的航油，降低运行成本，同时还能减少气物的排放。2