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副翼

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飛機使用副翼做滾轉運動的示意動畫
飛機使用副翼做滾轉運動的示意動畫

副翼(法語:Aileron)是固定翼飛機機翼後緣上一對對稱的操縱面,用以控制飛行器的滾轉運動。[1]副翼通過左右差動偏轉在兩側機翼上造成升力差,並且產生滾轉力矩。[2]由於固定翼飛行器的滾轉軸運動和航向軸運動耦合,副翼結合升降舵也可以用來控制飛機的航向運動。因此是一種非常重要的操縱面。現今大多數固定翼飛行器上都具有副翼。

副翼是英國工程師馬修·瓦特·博爾頓英語Matthew Piers Watt Boulton發明的。他在1868年根據自己的論文申請了第一個副翼的專利。[3]副翼的拉丁名「Aileron」來自法語,意為「小翼」。

概說

副翼是飛機上用於控制滾轉運動的部件和方法中最常見的一種。當飛行員向飛機的某一側壓動操縱杆,這一側的副翼向上偏,而另一側的副翼向下偏。向下偏的副翼會增加機翼的彎度,從而增加升力;向上偏的副翼會破壞機翼上表面的氣流,從而降低升力。如此在兩側機翼產生的升力差就會使飛機產生滾轉力矩,令飛機向飛行員壓杆的方向滾轉。為了增加這個滾轉力矩,副翼大多佈置在靠近機翼翼尖的位置。[4]

若副翼的效率不夠,也可以在副翼上偏的一側機翼,啟動擾流板來增加副翼的效率。而在戰鬥機上,也可以使用差動平尾在高速時進行額外補償。使用差動平尾時,平尾的差動範圍約±10°。[4]

副翼反操縱

主條目:副翼反操縱
一架F-16戰鬥機。可以看出他的全動平尾具有差動能力
一架F-16戰鬥機。可以看出他的全動平尾具有差動能力

如前所述,副翼多是佈置在機翼翼尖的位置,以提高效率。但這也可能導致一些麻煩。

機翼顯然不會是剛體,在受力的時候,難免會有一些形變。對於後掠翼的機翼來說,機翼的氣動中心位於機翼的剛心之後。當副翼向下偏轉而增加升力的時候,機翼會沿着剛心向下扭轉。這樣的扭轉之後,機翼的迎角也就降低了,於是原本期望在這一側增大的升力反而降低。這種現象會導致副翼的效率下降。在高速飛行時甚至會導致副翼的舵效和操縱者期望的相反。這種狀況被稱為副翼反操縱。[1]一般說,機翼的翼尖處較軟而翼根處較硬。因此佈置在翼尖處的副翼很容易發生這種現象。

因為副翼反操縱是強度不足造成的,增強副翼處機翼的強度是最直接的解決方法。[2]但更徹底的方法還是改變副翼的結構。對於高速飛行器,常把副翼分為內外兩段。低速飛行的時候使用外側副翼,高速飛行時使用內側副翼。若是飛行速度再提高,機翼上的副翼也會停止動作,而使用差動平尾來實現滾轉運動。

對於前掠翼飛行器,因為機翼的氣動中心位於機翼的剛心之前,因此不會有副翼反操縱的困擾。而三角翼飛行器因為機翼的強度非常高,同樣也不會有此問題。[2]

副翼的結構

差動副翼

副翼下偏增加升力產生的誘導阻力比上偏時產生的誘導阻力大。若在做滾轉運動時兩片副翼的偏轉角度相同,會產生額外的偏航力矩,並且這個力矩的方向和盤旋的方向相反,需要方向舵修正。在低速時,這種狀況也容易造成尾旋。解決方法是讓副翼上偏的角度比下偏的大一些,就可以避免這樣的問題。這樣的副翼被稱為「差動副翼」(Differential Aileron)。德哈維蘭虎蛾機是最早使用差動副翼的機型。

一個質量補償的例子
一個質量補償的例子

質量補償

如同多數操縱面一樣,副翼設計時也希望舵面的重心和連接機翼的鉸鏈之間距離儘可能小,以避免過大的鉸鏈力矩出現。過大的鉸鏈力矩除了導致拉動舵面的力量增大,也容易導致一些氣動彈性問題(尤其是顫振)。一個較簡單的解決方法是人為的在副翼鉸鏈的前方增加配重。這個配重就被稱為質量補償。[5]

質量補償大多是一個安裝在副翼前緣,向前伸出的棒。棒的尖端具有可以調節的配重物(一般是鉛)。當飛機的重心位置發生變化時,質量補償上的配重也要相應進行調整。質量補償價格低廉而效果上佳,因此是副翼上很常見的力矩補償裝置。尤其對輕型飛機更是如此。

氣動補償

除了使用質量補償,也可以採用一些氣動手段進行補償。最簡單的「軸式補償」是簡單的將副翼的鉸鏈轉軸深入副翼內部。最高可以深入副翼弦長20%-25%。[4]不過這種補償方式在大偏角時會導致滾轉輸出非線性。「內補償」則是在副翼的鉸鏈內設置一個封閉的補償腔,並在副翼前緣安裝一個補償板深入腔體並將其分割為上下兩部分,通過調節腔體上下的氣壓來實現補償。這樣做的缺點是太過複雜而且佔據了機翼里很大的空間。[5]「伺服補償」更是直接在副翼上增加了額外的小舵面,通過驅動這些額外的小舵面來補償鉸鏈力矩。伺服補償用的小舵面大多和升降舵聯動,並裝有彈簧等裝置用作輔助。[2]

副翼的類型

襟副翼

對於大型飛機,常需要把襟翼做得很長。這樣就佔據了副翼的空間。於是把相應位置上的襟翼舵面獨立出來當做副翼使用,這樣的副翼就是襟副翼。有些大型飛機會將襟副翼設計成上下開裂的形式,以便在襟翼全力放下的時候保證副翼的效率。

使用襟副翼的時候,副翼的展長可以比正常的副翼高約1倍。[4]

升降副翼

在無尾佈局的飛行器,升降舵只能安裝在機翼上。這種時候可以將升降舵和副翼合二為一,成為升降副翼。若兩片升降副翼同向偏轉,飛機就會上升或下降。若反向偏轉,就會向左右滾轉。升降副翼的面積必須設計得比較大。因為作為升降舵使用時升降副翼的操縱力臂比正常佈局的飛機要小。[2]

專利糾紛

主條目:萊特兄弟專利大戰

雖然馬修·博爾頓最早提出副翼的概念,但是在飛機壓根沒有出現的19世紀不可能做出可用的副翼實物。

1903年,萊特兄弟第一架飛機上使用讓機翼後緣材料變形的方式實現了對滾轉的控制。[需要更好來源]這可以算是副翼的雛形,但與使用舵面的副翼仍然有所不同。萊特兄弟為飛行者號上的諸多設計申請了專利,其中也包括扭轉機翼以控制滾轉的方式。但萊特兄弟的專利描述太過泛泛,以至於所有使機翼幾何形狀發生變化來獲得滾轉控制的方式都會落入他的專利保護範圍之內。[6]由於萊特兄弟在試飛後長期封鎖消息,這一設計也不為人所知。

1909年,格倫·寇蒂斯製造了自己的第一架飛機並獲得了成功。寇蒂斯的飛機上第一次使用了分離於機翼的舵面 -- 也就是副翼的方式來控制飛機的滾轉運動。萊特兄弟注意到這個設計之後,立刻將寇蒂斯和他的公司告上法庭,並要求了高達每架飛機20%貨款的巨額授權費。因為在當時寇蒂斯的舵面副翼設計優於萊特的機翼扭轉設計,無法咽下氣的寇蒂斯決定和萊特的公司在法庭上死戰到底。這場專利戰除了導致副翼技術無法在美國的飛機上普及,還導致當時飛機的價格大漲。

到1917年,美國臨近加入第一次世界大戰時。美國政府才為了參戰對萊特公司和寇蒂斯公司進行調解。包括寇蒂斯和萊特在內的所有飛機製造商都被整合到一個航空器公會中。公會內企業共享彼此的專利,直到戰後。而戰後萊特的副翼專利已經過期,這次專利大戰也就此落幕。副翼也從此開始在飛機上普及。寇蒂斯和萊特的公司在不久以後也宣告合併。

直升機上的「副翼」

在中文文化圈裏,有時會將直升機旋翼上一組較小,用做輔助控制的翼片稱作直升機「副翼」。實際上這是直升機上的平衡錘(Stabilizer bar),原理與固定翼飛行器上的副翼亦不相同。[7]

參見

參考

外部連結

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副翼
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