[科普中國(guó)]-翼刀

定義

翼刀是安裝在飛機(jī)機(jī)翼上與機(jī)身軸線平行的像刀子一樣的鋁合金片，其形狀像刀子，因而叫做翼刀。

歷史在二戰(zhàn)后發(fā)展起來(lái)的噴氣式飛機(jī)中，翼刀是一種比較常見(jiàn)的控制失速的手段。由于噴氣式飛機(jī)速度非常快，經(jīng)常在翼尖處出現(xiàn)氣流分離（即高速氣流使翼尖失去升力）的情況，這對(duì)飛機(jī)來(lái)說(shuō)意味著可操控性能下降，是極其危險(xiǎn)的。 我國(guó)的飛機(jī)大多數(shù)有翼刀，這是由于我國(guó)的航空技術(shù)是由蘇聯(lián)引進(jìn)的，蘇聯(lián)在米格15上就采用了四翼刀結(jié)構(gòu)，我國(guó)在引進(jìn)的過(guò)程中就直接借鑒了過(guò)來(lái)。

翼刀結(jié)構(gòu)是控制翼尖失速的各種手段中最簡(jiǎn)單廉價(jià)的。而這種結(jié)構(gòu)最先采用是在納粹德國(guó)末日時(shí)期BA349“毒蛇”噴氣式飛機(jī)上。有資料稱，二戰(zhàn)結(jié)束后，蘇聯(lián)以繳獲的BA349為藍(lán)本研制出了米格15。

翼刀作為一種二戰(zhàn)時(shí)期的技術(shù)，根據(jù)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，翼刀的效果不如一些后來(lái)發(fā)展的技術(shù)，但翼刀還是很可靠的。

翼刀裝在機(jī)翼中部，是對(duì)氣流控制的要求，如果裝在翼尖，氣流在接觸到翼刀之前就已經(jīng)發(fā)生氣流分離了。而翼刀裝在2/3處，在氣流出現(xiàn)分離前就對(duì)其施加擾流作用，也就達(dá)到了所需要的目的。

附：升力形成的原理圖

作用二十世紀(jì)四十年代德國(guó)空氣動(dòng)力學(xué)家提出了將機(jī)翼向后斜置一個(gè)角度的后掠機(jī)翼（swept- back wing ），并很快被各國(guó)所接受，成了現(xiàn)代高速飛機(jī)和超音速飛機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。之后出現(xiàn)的三角機(jī)翼，變后掠機(jī)翼都是在后掠機(jī)翼基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。后掠角的大小表示機(jī)翼后掠的程度。通常所指后掠翼飛機(jī)的機(jī)翼后掠角（x ）多在25°以上，后掠角較小的機(jī)翼仍稱平直機(jī)翼。 后掠機(jī)翼相對(duì)于過(guò)時(shí)的平直機(jī)翼是空氣動(dòng)力學(xué)上的一個(gè)巨大進(jìn)步。當(dāng)飛機(jī)飛行速度接近聲速時(shí)，機(jī)翼上表面局部氣流速度將超過(guò)聲速，這將出現(xiàn)激波，引起激波后面的氣流分離，使飛機(jī)阻力急劇增加。對(duì)于后掠機(jī)翼，垂直機(jī)翼前緣的氣流速度分量（vcosx）低于飛行速度 v，從而可以在v已達(dá)到或超過(guò)聲速時(shí) ，vcosx還未達(dá)到聲速。后掠翼還能減弱激波強(qiáng)度，降低波阻。

但是后掠機(jī)翼存在著一個(gè)缺點(diǎn)：上仰現(xiàn)象。所謂上仰是指當(dāng)飛機(jī)迎角超過(guò)一定限度時(shí)，俯仰力矩就會(huì)發(fā)生不穩(wěn)定轉(zhuǎn)折，進(jìn)而導(dǎo)致飛機(jī)進(jìn)入上仰，引發(fā)飛機(jī)失控。這就極大限制了飛機(jī)可用迎角，這對(duì)強(qiáng)調(diào)大迎角，高攻角的現(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)來(lái)說(shuō)是不可想象的。

導(dǎo)致后掠機(jī)翼上仰的主要原因是翼尖的分離（當(dāng)然翼根效應(yīng)也有影響，不過(guò)相比之下不足道而已）。由于后掠機(jī)翼翼尖在飛機(jī)重心之后，翼尖失速導(dǎo)致升力下降，進(jìn)而引起抬頭力矩。而產(chǎn)生翼尖分離過(guò)程則是：相鄰剖面錯(cuò)位－>上表面弦向壓力分布沿展向產(chǎn)生壓差－>附面層向外翼流動(dòng)－>翼尖附面層增厚－>翼尖分離。

翼刀的作用就是用物理方法破壞附面層向外翼流動(dòng)來(lái)緩和翼尖分離，簡(jiǎn)單說(shuō)就是改善飛機(jī)俯仰安定性。翼刀可以推遲上仰發(fā)生的迎角，但不能消除上仰的發(fā)生：由于翼刀的存在，內(nèi)側(cè)翼剖面將首先失速；當(dāng)戰(zhàn)機(jī)繼續(xù)拉大迎角，翼刀外側(cè)附面層仍然向翼尖流動(dòng)，導(dǎo)致翼尖比內(nèi)側(cè)分離更加嚴(yán)重。另外翼刀內(nèi)側(cè)段的分離有可能比無(wú)翼刀時(shí)提前，導(dǎo)致機(jī)翼失速提前。

替代技術(shù)現(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)通常采用前緣縫翼（增加附面層能量，如Rafale），前緣襟翼（控制機(jī)翼氣流分離，如F16）和前緣鋸齒（即氣動(dòng)翼刀作用，如JAS39）來(lái)避免和推遲機(jī)翼上仰的出現(xiàn)，另外還有前緣修形（F15A）等做法。

這里著重說(shuō)一下前緣鋸齒。與蘇聯(lián)飛機(jī)相比，西方同時(shí)代的飛機(jī)多采用此種方式，堪稱是另一種簡(jiǎn)單有效的方法。前緣鋸齒的作用是，當(dāng)有迎角時(shí)，鋸齒兩側(cè)剖面的弦向壓力分布不連續(xù)，氣流在內(nèi)段卷起，在機(jī)翼上形成旋渦，旋渦旋轉(zhuǎn)方向阻止機(jī)翼附面層向翼尖方向發(fā)展，推遲分離。Jas39是三代半戰(zhàn)機(jī)中唯一用了前緣鋸齒的，多少反映了其氣動(dòng)技術(shù)狀態(tài)不如其它飛機(jī)。我國(guó)和蘇聯(lián)早期的很多飛機(jī)都采用翼刀這種簡(jiǎn)單實(shí)用的附面層控制裝置。之所以翼刀在東方沿用了較長(zhǎng)時(shí)間，更多的是因?yàn)榱?xí)慣和傳統(tǒng)（在中國(guó)，特別是考慮到在80年代中期在西方影響進(jìn)入以前幾乎就是照搬）；也可以說(shuō)是氣動(dòng)，自動(dòng)控制系統(tǒng)落后。

現(xiàn)在飛機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)普遍數(shù)字微機(jī)化，它們控制的各種跗面層控制裝置（前緣縫翼，前緣襟翼等），可以替代翼刀，效果比翼刀要好，所以翼刀漸漸淡出。

翼刀控制技術(shù)翼刀控制技術(shù)是附面層控制技術(shù)的一種，通過(guò)在葉柵端壁上安裝翼刀來(lái)抑制馬蹄渦的壓力面分支與通道渦的匯合以及端壁附面層的卷起從而控制二次流的發(fā)展。早在二十世紀(jì)七十年代，PrumPer就曾表明在軸流汽輪機(jī)葉柵端壁加裝附面層翼刀可能降低損失。八十年代，Tatsu. KAwAI和shujis HINoKI等人曾在汽輪機(jī)葉柵中使用端壁翼刀來(lái)控制二次流，在尋求翼刀最佳尺寸和最佳位置以及端壁翼刀和吸力面翼刀的最佳組合方面做出了不懈的努力，發(fā)現(xiàn)翼刀抑制了馬蹄渦的壓力面分支從而削弱了二次流,具有最小臨界高度的翼刀為最佳翼刀,端壁翼刀使二次流損失降低了22%。隨后有關(guān)學(xué)者又研究了流向翼刀、橫向翼刀以及吸力面/端壁組合翼刀等控制二次流的機(jī)理，得到了一些有益的結(jié)論。在國(guó)內(nèi)，這方面的研究還比較少，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的鐘兢軍教授和劉艷明博士以及田夫博士1在壓氣機(jī)中使用翼刀來(lái)控制二次流方面進(jìn)行了大量的數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究工作，并取得了很多有益的成果。由于翼刀自身參數(shù)以及側(cè)面形狀變換、順序排列的靈活性，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，翼刀技術(shù)的研究前景相當(dāng)可觀。雖然翼刀能控制并減少亞音速壓氣機(jī)平面葉柵中的二次流損失，翼刀是否適合跨音速壓氣機(jī)葉柵，翼刀是否適合實(shí)際壓氣機(jī)葉柵，還有大量的工作需要開(kāi)展。

國(guó)外端壁翼刀技術(shù)端壁翼刀技術(shù)是在端壁上安裝一片或幾片翼刀,從而控制二次流的方法。在端壁不同周向位置安裝翼刀，無(wú)疑不同程度地阻斷了從壓力面至吸力面的橫向流動(dòng)，從而對(duì)葉柵端壁附近的流動(dòng)情況產(chǎn)生較大的影響，同時(shí)還有新的渦系產(chǎn)生。另外，翼刀高度不同，阻斷能力也不同，因此合理選擇端壁翼刀最佳位置和最佳高度一直是諸多研究者研究的重點(diǎn)。

八十年代末期，Kawai等人對(duì)具有端壁翼刀的汽輪機(jī)葉柵做了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究。Kawai在實(shí)驗(yàn)分析中發(fā)現(xiàn)了翼刀上方反向渦量的存在，這里所說(shuō)的“反向”,就是跟通道渦方向相反。YoungJ.Moon和sung-RyongKoh曾對(duì)反向翼刀渦的產(chǎn)生作了解釋，提到反向翼刀渦的形成與馬蹄渦和翼刀之間的復(fù)雜相互作用息息相關(guān)，也就是說(shuō)馬蹄渦壓力面分支持續(xù)抬升至翼刀邊緣,從而在翼刀上方偏向吸力面?zhèn)日T導(dǎo)出翼刀渦,其旋向與通道渦方向相反。因此，這個(gè)旋渦在降低近葉片吸力面二次流發(fā)展過(guò)程中起著十分重要的作用。

在端壁上加了翼刀后，對(duì)端壁附近氣流流動(dòng)狀況產(chǎn)生了很大的影響，詳細(xì)研究其渦系結(jié)構(gòu)及翼刀控制二次流的機(jī)理，以求揚(yáng)長(zhǎng)避短，在減小翼刀附加損失的同時(shí),合理利用翼刀在控制二次流方面的優(yōu)越性2。

國(guó)內(nèi)端壁翼刀技術(shù)同國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)對(duì)翼刀技術(shù)的研究起步較晚,主要集中在亞音速壓氣機(jī)葉柵中。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的鐘兢軍教授和劉艷明博士以及田夫博士通過(guò)翼刀技術(shù)抑制壓氣機(jī)葉柵中二次流，在這方面進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究，取得了很多有益的成果。從2002年開(kāi)始，鐘兢軍教授和劉艷明博士等人進(jìn)行了平面葉柵安裝端壁翼刀的數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，與常規(guī)葉柵相比，在安裝有端壁翼刀的葉柵中，翼刀不同程度地改善了葉柵內(nèi)二次流動(dòng)。翼刀阻斷馬蹄渦壓力面分支向相鄰葉片吸力面?zhèn)鹊陌l(fā)展，同時(shí)分別在壓力面一翼刀和翼刀一吸力面之間區(qū)域形成兩個(gè)通道渦，這兩個(gè)旋渦強(qiáng)度都小于常規(guī)葉柵的通道渦強(qiáng)度。馬蹄渦壓力面分支與翼刀相互作用，在翼刀上方偏向吸力面一側(cè)有反向翼刀渦產(chǎn)生。

在進(jìn)行了翼刀最佳周向位置的探索后，鐘兢軍教授等人又進(jìn)行了翼刀長(zhǎng)度和高度以及翼刀軸向位置方面的研究3，研究發(fā)現(xiàn)雖然隨著翼刀高度增加，翼刀對(duì)流道內(nèi)橫向流動(dòng)的阻斷作用增強(qiáng)，但翼刀的附加損失增加,翼刀周圍損失峰值也增加，并且波及范圍越來(lái)越廣，結(jié)果表明，翼刀長(zhǎng)度變化時(shí)，長(zhǎng)度越大,阻斷橫向流動(dòng)的作用越明顯，但由氣流摩擦所造成的翼刀附加損失也會(huì)帶來(lái)一定的不利影響。有效降低二次流的最佳翼刀不僅能阻斷流道內(nèi)的橫向流動(dòng)，阻止馬蹄渦壓力面分支的發(fā)展,而且能有效產(chǎn)生反向翼刀渦，計(jì)算結(jié)果表明,占據(jù)流道前3/4長(zhǎng)度的翼刀為最佳長(zhǎng)度翼刀。