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合很有讲究,否则会引起额外的附加阻力

  翼尖小翼可以减少翼尖涡流,是很流行的减阻技术。机翼的下表面压力高于上表面压力,这个压差产生升力,但这个压差也在翼尖造成横向的自下而上、自外而内的涡卷。翼尖涡卷带动空气,含有很大的能量。翼尖涡卷对于飞机的升力和推力没有作用,而这能量最终来自于推进的动力,所以形成阻力。翼尖小翼像垂直竖起的墙,减少涡卷的形成,达到减阻的目的。翼尖小翼的另一个解释是相当于扩展了有效翼展,更大的翼展意味着可以降低速度而达到同样的升力,达到减阻目的。用航空术语来说,就是通过更大的展弦比来提高升阻比,从而降低诱导阻力。

  早期的翼尖小翼就是翼尖上简单的垂直小翼,但翼尖小翼的额外重量要求对机翼作额外加强,小翼本身的重量也间接增加了阻力。更有甚者,垂直的小翼和水平的机翼的转角处容易形成不利气动干扰,处理不好会带来额外阻力。所以早期翼尖小翼的应用毁誉参半,尤其是很多在现有设计上“硬性嫁接”的翼尖小翼,时尚和美观因素多于气动上的益处。波音737NG上的翼尖小翼与机翼圆滑对接,减少了不利气动干扰的影响,同时略微外倾,更加有利于产生升力,号称在长途航线上可以降低油耗4%。由于翼尖涡卷具有很大的横向流动速度分量,小翼的纵向局部真实速度降低,容易进入失速,大大降低小翼的效果。空客A320“经典型”的翼尖小翼则同时向上和向下延展,进一步减少翼尖涡卷,降低翼尖小翼失速的影响。

若干种不同的翼尖小翼,右为最新的“鲨翅”小翼

A320采用这样的上下小翼

波音737NG的融合小翼

波音737MAX的双羽小翼

双弯刀小翼

盒式或环形小翼

S形小翼

  2012年之后,空客在新的A320上推出“鲨鱼翅”小翼,外形与波音737NG的翼尖融合小翼惊人地相似,以至于引来专利侵权官司。空客版的“鲨鱼翅”号称可以比现有的翼尖小翼节油4%,或者增加185公里航程,或者增加450公斤载重量。更重要的是,2010年后下线的A320的翼尖结构已经预留接头,只需要简单换装,就可以采用新的“鲨鱼翅”小翼。更早的A320要换装的话,需要一点结构改装,但也是可以换装的。与此同时,波音最新的773MAX推出“双羽”小翼,相当于把737NG的翼尖融合小翼增加了空客A320那样的下小翼。波音号称比翼尖融合小翼进一步节油1.6%。波音还推出“双弯刀”小翼,与“双羽”相似,但小翼前缘像土耳其弯刀一样是弧线的,进一步降低阻力。波音号称“双弯刀”小翼比翼尖融合小翼进一步降低油耗2%。