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波音737系列飞机翼梢小翼技术发展[复制链接]
发表于 2021-8-11 16:58:16 | 显示全部楼层 |阅读模式
      继空客率先推出装配鲨鳍小翼的A320飞机后,A320的有力竞争者波音737飞机也即将迎来崭新的翼梢小翼时代。2013年1月中旬,美国联合航空公司宣布该公司订购了由波音航空伙伴公司(APB)设计的“双叉弯刀”翼梢小翼,用以升级波音737NG系列飞机。APB公司表示,与融合式小翼相比,“双叉弯刀”外形更加流线化,并增加了一个下部翼片,可进一步降低阻力。APB公司预计,未来全球737NG飞机中的60%可能会换装该型翼梢小翼。
    波音飞机翼梢小翼研制历程
      20世纪80年代中期,波音公司就已经开始了对翼梢小翼的研究。1998年6月,波音在一架737-800飞机上首次进行了翼梢小翼的飞行测试。1999年,波音与航空伙伴公司组建合资企业APB,为波音飞机研发融合式翼梢小翼。具体到波音737飞机来说,目前主要装备了3种翼梢小翼,分别是737NG上的融合式翼梢小翼、737Classic上的融合式翼梢小翼和737-200上的微型翼梢小翼。
737NG的融合式翼梢小翼
      该类翼梢小翼长约8英尺,根部宽约4英尺,根部向梢部逐渐变窄光滑过渡至2英尺左右。翼梢小翼外倾使翼展增加约5英尺。在重量方面,单个小翼重约132磅,但由于机翼结构加强和安装翼梢总共带来的重量增加是480磅。
      该融合式翼梢小翼是飞机机翼向上的后掠形延伸,最大的特点是在主翼和小翼的过渡区具有较大的半径和翼弦的平稳变化,这一特征在保证减弱翼梢涡的同时显著地降低了主翼和小翼间的不利干扰,大大降低了机翼阻力。
      2001年5月,装配融合式翼梢小翼的737NG飞机开始交付, 之后的10多年里,陆续有多个航空公司采用了装配融合式翼梢小翼的737NG飞机,到目前为止,有一半以上的737NG飞机都安装了融合式翼梢小翼。经过多年来的市场检验,融合式翼梢小翼为737NG飞机带来了巨大的收益:
  (1)改善起飞性能
      融合式翼梢小翼使得飞机爬升路线更加陡峭,这一点在障碍物限制机场、高温高原机场和重量限制机场显得非常重要。融合式翼梢小翼能够增加737NG飞机的起飞总重,有数据显示融合式翼梢小翼使得执飞芝加哥至中途岛航线的737-800飞机增加了1600磅起飞总重。
      (2)减少发动机维护费用
      融合式翼梢小翼提供了更好的爬升性能,这样就允许更低的发动机推力,进而可延长发动机寿命和减少维护成本。在起飞状态下,它可降低3%所需推力,巡航状态下可降低4%所需推力。
      (3)节省燃油,增加航程
      融合式翼梢小翼降低了阻力,改善了气动效率,因此减小了飞机油耗。根据不同的飞行任务剖面,融合式翼梢小翼能够增加燃油里程高达6%。上表给出了融合式翼梢小翼使737NG飞机增加的平均航程。
  (4)增加环境友好性
      减少噪声影响区域6.5%,降低氮氧化物排放5%。
  (5)改善操作灵活性
      由于航程和总体性能变好,融合式翼梢给机队运营和航线选择带来了很大的灵活性。柏林航空公司曾表示换装融合式翼梢小翼前,该公司的737NG飞机需要先爬升至35000英尺高度,然后再爬升到41000英尺,加装融合式翼梢小翼后则可以直接爬升至41000英尺高空,这大大增强了该公司航线选择的灵活性。
737Classic的融合式翼梢小翼
      应用在737Classic上的融合式翼梢小翼同737NG非常相似,尺寸较737NG的小,长度大约为7英尺。第一架装备融合小翼的737Classic飞机是737-300,它于2002年11月首飞,并于2003年5月30日获得了FAA的补充型号合格证。
737-200上的微型翼梢小翼
      737-200上的微型翼梢小翼是由安静机翼公司为737-200研发的襟翼改装套件,于2005年获得FAA认证。这个改装套件还包括下垂4度的后缘襟翼和下垂1度的副翼,并增加了机翼的弧度,它为737-200飞机带来收益包括:载重增加5000磅,航程增加3%,节省燃油高达3%,增加起飞/降落梯度,减少起飞/着陆场长,改善高海拔起飞/着陆能力,改善高温运行性能,以及减小失速速度4~5海里/时。
波音为737MAX研制双羽状翼梢小翼
      2012年5月2日,波音公布了为737 MAX专门研制的一项新的翼梢小翼设计概念“双羽状”翼梢小翼。“双羽状”翼梢小翼由上下两片倾斜的小翼组成,上片小翼长8英尺3英寸,下片长4英尺5.8英寸。从下片的梢部到上片的梢部高9英尺7英寸。下片小翼梢部的离地高度为10英尺2英寸。
      波音表示,这一采取了先进技术的翼梢小翼将使737 MAX在原定提升10%~12%燃油效率的基础上再减少1.5%的燃油消耗。与目前在长航程上可节约4%燃油的融合式翼梢小翼技术相比,采取先进技术的双羽状翼梢小翼可在同样长度的航线上提升5.5%的燃油效率。
      波音的气动力学专家利用先进的计算流体力学,将上下小翼式翼梢概念和斜削翼梢小翼技术进行融合提出了“双羽状”翼梢小翼,他们认为 “双羽状”小翼能够重新分布机翼载荷,增加有效翼展,并使上下两片羽状小翼达到很好的平衡,因此可产生更大的升力和更小的阻力。这使得系统在不增加额外重量的前提下更加有效。”
  一个有意思的现象是,波音的“双羽状”翼梢小翼乍一看与现在A320传统的翼梢帆片有些相似,而A320新推出的鲨鳍小翼则更像是波音融合式翼梢小翼的放大版。也许等到2015年装配鲨鳍小翼的A320neo服役和2017年装配“双羽状”翼梢小翼的737MAX服役后,人们似乎会觉得这两款翼梢小翼似曾相识,而当这两款飞机在一起出现的时候,大家又会不会觉得比较“困惑”呢?
APB公司为737NG研制的“双叉弯刀”翼梢小翼
      波音为737MAX研制“双羽状”翼梢小翼的工作开始于2011年6月,而APB公司几乎在同一时期也开始了为737NG研制新型翼梢小翼的工作。两家公司表示,他们双方都不知晓对方的研究方案。巧合的是,两家公司都选择了两片式小翼构型作为新型小翼的基础构型。但是最终,两家公司的新型翼梢小翼设计方案并不相同。APB公司为737NG设计了“双叉弯刀”翼梢小翼。“双叉弯刀”翼梢小翼和“双羽状”翼梢小翼的显著区别就是前者采用了弯刀形的翼尖,后者采用的是直线形的翼尖。APB称,与融合式小翼相比,“双叉弯刀”外形更加流线,可进一步降低阻力,它可为737NG降低2.5~3%的油耗。该公司预计,全球现役的4700多架737NG系列飞机中,大约有60%可能将陆续装配这种新型小翼。
      2012年4月,APB公司在一架737BBJ飞机上进行了试验,试验结果显示设计方案的性能达到了预期,采用的计算流体力学方法的精度达到了0.001。
      今年初,美国联合航空订购了APB的“双叉弯刀”翼梢小翼,用以升级其波音737NG系列飞机。APB称,“双叉弯刀”翼梢小翼预计在今年10月将获得FAA的认证。届时,第一架升级后的波音737-800飞机将能交付。APB补充称,这也将是8架等待升级的737NG系列飞机中第一架交付的。此外,为波音737-900ER飞机设计的“双叉弯刀”翼梢小翼则预计在2014年3月能获得FAA的认证。
结束语
      围绕着如何减小油耗,减少环境污染,降低飞机的运营成本,波音和空客长期以来始终致力于这方面的研究,而翼梢小翼作为一种“四两拨千斤”的有效的、经济实惠的手段一直是双方研发的重点。目前,空客已经摈弃了传统的翼梢帆片设计理念,研发了新一代的鲨鳍小翼作为A320neo的标准装备和A320的选装设备。作为回应,波音也为737MAX设计了全新的“双羽状”翼梢小翼。而APB公司也为737NG设计了全新的“双叉弯刀”翼梢小翼。未来,由新型翼梢小翼换装而引起的窄体客机领域的竞争将会更加激烈。
      值得注意的是,尽管737MAX和737NG的主翼采用同样的翼型。但波音公司和APB公司在两型飞机的新一代翼梢小翼的设计上还是产生了分歧,波音预测737MAX应用“双羽状”翼梢小翼可使燃油消耗降低1.5%,而APB公司则认为“双叉弯刀”翼梢小翼的效果更好,它能使737NG减少2.5%~3%的燃油消耗。究竟两种方案谁更胜一筹,只有等到市场检验后才能知晓。

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