导读

随着现代科技的快速发展，我们在出行时可供选择的交通方式也在日益增多，航空作为一种速度快、安全系数高的交通方式，目前已成为很多人的出行首选。但随着出行次数的增多，排放到大气中的CO₂大幅增加。据国际民用航空组织 (International Civil Aviation Organization) 的数据统计，全球2%的二氧化碳排放来自飞机。因此，如果不迅速采取措施，航空业可能会对天空造成更多污染。已经证明，轨迹优化可以节省高达2%的飞行成本。此外，涉及飞机几何优化的解决方案也十分有趣。

当飞机飞行时，高压气流 (机翼下方) 与低压气流 (机翼上方) 结合，产生涡流，从而产生不必要的阻力。而几何优化方案旨在改善飞机的几何形状，降低阻力，以降低燃油消耗。在这些改善的过程中，翼尖处的小翼布置被认为是最重要的。各种各样的小翼形状已得到发展，如混合小翼、翼尖围栏、裂弯刀小翼和斜翼。每种形状都有自己的优势，例如，根据飞机型号的不同，混合小翼可以减少4%到5%的燃油消耗。

来自意大利博洛尼亚大学工业工程系的Marine Segui教授及其研究团队在Biomimetics 期刊发表文章，从空气动力学的角度量化为飞机配置自适应小翼的优、缺点，评估自适应小翼在飞行中相对于固定 (即常规) 小翼的气动效率。

图1. Bombardier CRJ700自适应小翼。

主要内容

1. 自适应小翼设计

本研究中考虑的自适应小翼是基于Bombardier CRJ700的原始小翼设计的。装备原始Bombardier CRJ700的小翼通常被称为“倾斜小翼”。作为Bombardier飞机的标志，“斜翼小翼”在后缘有一个弯曲的部分。由于厚度较薄 (根部为0.15米) 的原始小翼存在移动上的机械困难，因此该研究团队根据空客叶片项目和波音777X小翼运动两者的启发，对原始形状稍作修改，并在其根部加入一个“吊舱”来改善小翼的机械运动。“吊舱”的设计是为了在吊舱内留出足够的空间来安装齿轮机构或类似的驱动装置。

图2. CRJ700飞机原模型与新自适应模型的计算机辅助设计 (CAD) 叠加。

2. 空气动力学特性研究

计算这种新飞机设计的升力、阻力和俯仰力系数，气动模型是使用开源CFD代码OpenFoam工具设计，飞行条件选择的是高质量的飞行模拟器VRESIM (D级) 进行高保真气动模拟 (爬升、巡航和下降)。对Bombardier CRJ700经常飞行的35种飞行条件下的气动模型进行了测试，其中高度为5000英尺至30000英尺，马赫数为M0.31至M0.79 (正常巡航在M0.74至M0.82之间)，转角度ξ = −93、−73、−35、0、35、73和93度的不同飞行情况下的气动特性均进行了评估。

结论

1. 自适应小翼设计

图3. 观察到不同小翼偏转角和不同飞行条件下的最大和平均升力效益。

当飞机的偏转角度 (ξ = −73°到ξ = +35°) 显示出相对于参考位置的升力效益 (即增加)。最大升力增加了3.28%；小翼位置ξ = 0° (接近水平) 显示出平均升力改善。

图4. 观察到不同小翼偏转角和不同飞行条件下的最大和平均阻力收益 (减少量)。

除了位置ξ = +93°外，所有小翼偏转都显示阻力从1.37%降至2.73%。

图5. 不同小翼偏转角和不同飞行条件下的升阻比最大收益和平均收益。

最后一个气动准则是升阻比。小翼偏转角从ξ = −73°到+35°，表现出高达3.15%的升阻比增加。偏转角ξ = −35° → ξ = +35°时，小翼位置表现出最好的气动特性，升阻比 (即适应度) 提高了6.10%。

2. CRJ700固定小翼与自适应小翼气动极坐标和俯仰力矩特性比较

图6. 采用固定小翼和自适应小翼的CRJ700在马赫数为0.31时的气动极坐标 (a) 和俯仰力矩系数 (b) 比较。

图7. 采用固定小翼和自适应小翼的CRJ700在马赫数为0.45时的气动极坐标 (a) 和俯仰力矩系数 (b) 比较。

图8. 采用固定小翼和自适应小翼的CRJ700在马赫数为0.54时的气动极坐标 (a) 和俯仰力矩系数 (b) 比较。

图9. 采用固定小翼和自适应小翼的CRJ700在马赫数为0.66时的气动极坐标 (a) 和俯仰力矩系数 (b) 比较。

图10. 采用固定小翼和自适应小翼的CRJ700在马赫数为0.79时的气动极坐标 (a) 和俯仰力矩系数 (b) 比较。

相对于参考值，自适应小翼配置获得的俯仰力矩系数大约减少了0.0067 (从0.0061到0.0074)。

总的来说，使用自适应小翼，阻力系数最多可降低0.0015。在95%的情况下，阻力系数降低了0.00038±0.00031，用相对值计算相当于降低了1.30±0.89%。此外，自适应小翼允许在几种飞行条件下减少高达2.90%的阻力。

原文出自Biomimetics 期刊

Segui, M.; Abel, F.R.; Botez, R.M.; Ceruti, A. New Aerodynamic Studies of an Adaptive Winglet Application on the Regional Jet CRJ700. Biomimetics 2021, 6, 54.

Biomimetics 期刊介绍

主编：Stanislav N. Gorb, Kiel University, Germany

期刊致力于研究生物体的最基本方面及其特性向人类应用的转移。期刊旨在为材料科学、机械工程、纳米技术和生物医学领域的研究人员和专业人士提供一个平台，通过在工程系统、技术和生物医学中利用生物启发的设计，开发实现可持续创新的解决方案。

2021 Impact Factor：3.743

2021 CiteScore：5.2

Time to First Decision：14.8 Days

Time to Publication：37 Days