前緣縫翼 - Wikiwand
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前緣縫翼

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上圖為空中巴士A310-300的機翼,左側展開的為前緣縫翼,右側張開的為襟翼。清晰可見前緣縫翼展開後和機翼之間有一道讓氣流通過的縫隙。
上圖為空中巴士A310-300的機翼,左側展開的為前緣縫翼,右側張開的為襟翼。清晰可見前緣縫翼展開後和機翼之間有一道讓氣流通過的縫隙。

前緣縫翼英語:Slat)是安裝在固定翼飛機機翼前端的狹長小翼,通常在飛機起飛降落時展開。前緣縫翼展開後,機翼之間有一道狹長的縫隙,可以讓氣流通過(右圖)。

前緣縫翼的主要功能在於提高飛機的失速臨界迎角,讓飛機起飛時不至於機頭拉得過高而造成突然失速。也能有效降低飛機的進場速度,讓飛機的降落更加安全。同時縮短飛機起飛和降落的距離,降低對跑道長度的要求。有時在飛機接近失速狀態時也會張開,並使產生的阻力降到最低。

法國航空的空中巴士A318展開前緣縫翼。
法國航空空中巴士A318展開前緣縫翼。
Bf 109戰鬥機的前緣縫翼。
Bf 109戰鬥機的前緣縫翼。
清晰可見空中巴士A319展開前緣縫翼和襟翼。
清晰可見空中巴士A319展開前緣縫翼和襟翼。
停放在博物館裏的一架德國早期Fi156白鸛式飛機,使用的固定式前緣縫翼。
停放在博物館裏的一架德國早期Fi156白鸛式飛機,使用的固定式前緣縫翼。

工作原理及作用

通常情況下,前緣縫翼的翼弦面積比機翼的面積要小得多,只是機翼前方很小的一部分。但是當飛機起飛或降落時,機頭朝上,前緣縫翼伸展開,卻能改變整個機翼前緣的形狀。[1]早期的空氣動力學家,包括德國力學家路德維希·普朗特認為前緣縫翼的作用原理在於減弱了吹向機翼的氣流,讓大量氣流從前緣縫翼和機翼間的縫隙通過。通過改變機翼的形狀和氣動結構而使飛機得到更大的失速臨界迎角。

但是後來實驗證明,通過這道縫隙的氣流相比機翼上緣的氣流來說微不足道,甚至不能算作是高速氣流。現在空氣動力學公認的前緣縫翼工作原理是隨着飛機迎角的增大,機翼上表面的分離區逐漸向前移。一旦增大到臨界迎角時,機翼的升力係數急劇下降,造成飛機失速。而當前緣縫翼打開時,它與基本機翼前緣之間產生了一道縫隙,讓下翼面壓強較高的氣流通過這道縫隙得到加速而流向上翼面,增大了上翼面附面層中氣流的速度,降低了壓強,消除了分離旋渦,從而延緩了氣流分離,避免了大迎角下的失速,使得升力係數得到提高。[2][3]

因此,前緣縫翼的作用主要有兩個:一是提高了飛機的臨界迎角,使飛機不容易失速;二是增大機翼的升力係數。其中前者是主要功能。這種裝置在大迎角下,特別是接近或超過基本機翼的臨界迎角時才使用,因為只有在這種情況下,機翼上才會產生氣流分離。[4][5]

前緣縫翼上常常能找到飛機飛行過程中和鳥類碰撞的殘留物。

種類

固定式前緣縫翼

固定式前緣縫翼和機翼之間有一條固定的狹縫,整個結構不能隨迎角的改變而開閉關閉。其優點在於結構簡單,但在高速飛行時,造成機翼所受到的阻力也急劇增大,增大飛行能量的損耗。因此目前應用不多,只有在早期低速輕型螺旋槳飛機上使用。

自動式前緣縫翼

自動式前緣縫翼用滑動結構與機翼相連,能根據飛機迎角的變化自動開閉關閉。在小迎角情況下,整個結構處於閉合狀態,減少機翼的阻力。當迎角增大到一定程度,高速氣流將前緣縫翼自動吸開,達到增大臨界仰角的目的。目前絕大多數飛機配備的均為這類前緣縫翼。

發展歷史

前緣縫翼的結構最早由德國空氣動力學家古斯塔夫·拉赫曼於1918年發明。1917年8月,一架小飛機因失速墜毀,古斯塔夫便希望通過增加一塊前緣縫翼來讓飛機不容易失速,為此他在德國科隆製作了一台木質的模型。1918年,他在德國發表自己的設計,然而德國的專利局並未批准,因為他們不相信一塊小小的前緣縫翼能起到如此的作用。[6][7]

然而與此同時,在英國的亨德里·佩奇公司也設計出一種分離的機翼,通過氣流分離來獲得更大的仰角,並於1919年報請了專利局。為了避免專利糾紛,該公司還和古斯塔夫簽訂了一份知識產權的歸屬合同。同年,第一架採用這種分離式機翼的德哈維蘭 DH.9飛機出廠下線。[8]之後更是推出了改進的型號D.H.4。後者配備的更大前緣縫翼和特殊的後部副翼結構,其中後者亦是現代飛機襟翼的原型。通過這種設計,使得飛機在低速飛行時的性能更為出色。[9]數年之後,古斯塔夫更是被亨德里·佩奇公司收到麾下,負責飛機的研發設計工作。

1920年代,一個公司的主要利潤往往來自於其旗下的知識產權。當時不少的飛機公司採用固定式前緣縫翼的機翼結構設計,大量運用於輕型飛機上,以達到短距離起飛的目的。

到了第二次世界大戰,前緣縫翼的氣動設計有更進了一步,使得翼面受到的空氣阻力更小,並且逐步開始採用固定式的設計來應對逐漸提高的飛行速度。著名的飛機有德國的Fi156白鸛式飛機雖然其採用了固定式前緣縫翼,但是其氣動性能相當優異。經過測試,它的起飛距離只要45米(150英尺),降落距離更是只需18米(60英尺)。之後德國的梅塞施密特飛機公司設計的飛機更是全部採用了前緣縫翼的設計。

二戰後,大型飛機更是紛紛採用這種設計。這時的前緣縫翼已經開始採用液壓或者電力來控制。

控制

  • 自動 - 飛行電腦自動控制前緣縫翼的伸縮,以得到最適合飛行狀態的氣動結構。
  • 手動 - 由飛行員控制,隨着襟翼的展開而展開。大多數飛機的前緣縫翼都採用手動的設計。
  • 固定 - 有一部分的飛機(通常是低速飛行的輕型飛機),其前緣縫翼是固定在展開狀態的。

研究

前緣縫翼的設計更是不斷地在改進以得到更好的性能。例如結構更加牢固可靠,進一步增大仰角,並且減少自身造成的阻力等等。最新的前緣縫翼的設計,尤其是戰鬥機,更是考慮到了其躲避雷達偵測的低可偵測性技術性能。這類設計將在第五代戰鬥機中大量運用。

美國太空總署設計的X-53試驗機的機翼角度可變,其前緣縫翼的角度也會自動跟着調整。[10][11][12]

參見

參考資料

  1. ^ Theory of wing sections, Abbott and Doenhoff, Dover Publications
  2. ^ High-Lift Aerodynamics, A.M.O. Smith, Journal of Aircraft, 1975
  3. ^ 中国科普博览-前缘缝翼原理. [2013-06-10]. (原始內容存檔於2020-01-19). 
  4. ^ High-Lift Aerodynamics, A.M.O. Smith, Journal of Aircraft, 1975
  5. ^ 中国科普博览-前缘缝翼原理. [2013-06-10]. (原始內容存檔於2020-01-19). 
  6. ^ NACA Technical notes, No. 71. Experiments with slotted wings. 1921.
  7. ^ 存档副本 (PDF). [2013-06-10]. (原始內容存檔 (PDF)於2012-11-29). 
  8. ^ F. Handley Page "Developments In Aircraft Design By The Use Of Slotted Wings"頁面存檔備份,存於互聯網檔案館Flight, December 22, 1921, photo page 844 of converted D.H.9 for testing of slotted wings
  9. ^ F. Handley Page "Developments In Aircraft Design By The Use Of Slotted Wings"頁面存檔備份,存於互聯網檔案館Flight, December 22nd 1921, photo page 845 of converted D.H.4 for testing of slotted wings
  10. ^ Scott, William B., Morphing Wings, Aviation Week & Space Technology, 27 November 2006 [2013-06-10], (原始內容存檔於2011-04-26) 
  11. ^ FlexSys Inc.: Aerospace. [26 April 2011]. (原始內容存檔於2011年6月16日). 
  12. ^ Kota, Sridhar; Osborn, Russell; Ervin, Gregory; Maric, Dragan; Flick, Peter; Paul, Donald. Mission Adaptive Compliant Wing – Design, Fabrication and Flight Test (PDF). Ann Arbor, MI; Dayton, OH, U.S.A.: FlexSys Inc., Air Force Research Laboratory. [26 April 2011]. (原始內容 (PDF)存檔於2012年3月22日). 

外部連結

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