揭開飛機翼尖 神秘面紗｜星島教室
發佈時間：12:04 2024-10-03
在航空領域，你可能會注意到飛機機翼邊緣的不同形狀。這些被稱為「翼尖」或「小翼」的結構不僅是美觀的補充，而且在提高飛機性能和效率方面具有重要作用。本文將揭開飛機翼尖的神秘面紗，探討其重要性、功能，以及對飛機整體性能的影響。
何謂「阻力」？
要了解翼尖或小翼造成的影響，我們必須先了解「阻力」的概念。阻力是與飛機向前移動相反的力。阻力受到多種因素的影響，包括速度、空氣密度，尤其是飛機機翼的形狀和配置。從數學物理角度，阻力可以透過以下方程式表示：
D代表阻力；ρ代表空氣密度；V代表空速；S代表參考面積（通常是機翼面積）；CD代表阻力係數。
翼尖類型
多年來，航空工程師開發了各種翼尖設計，每種設計都是為了應對特定的空氣動力學挑戰及優化性能而量身訂造的。以下是一些常見的翼尖類型：
融合式翼梢小翼Blended Winglets
特點是機翼末端輕輕向外彎曲，並與機翼本身無縫融合。例子有波音737、757和767。
鯊鰭小翼Sharklets
與融合式翼梢小翼類似，鯊鰭小翼是翼尖的垂直延伸。例子有空中巴士A320neo系列和A350系列。
上帆角小翼Raked Wingtips
特點是從機翼末端延伸以創造更多表面積並減少阻力，將其想像為「扁平」小翼。例子有波音747-8、767-400、777X、787夢幻飛機。
傾斜翼尖小翼Canted Winglets
特徵是明顯短且向上傾斜。例子有波音747-400、空中巴士A330和A340。
運作原理及好處
翼尖或小翼的功能是最大限度地減少「誘導阻力」（induced drag）的影響，當空氣圍繞翼尖從高壓下側流向低壓上表面時，就會產生誘導阻力。這些渦流會產生阻力，降低整體空氣動力效率。翼尖或小翼透過改變翼尖處的氣流模式來發揮作用，從而最大限度地減少渦流的形成並減少誘導阻力。
以下是它們帶來的好處︰
減少誘導阻力：翼尖或小翼透過降低阻力係數（CD）直接影響阻力方程式。透過最大限度地減少渦流的形成並改變氣流模式，翼尖或小翼可有效減少誘導阻力，從而降低作用在飛機上的整體阻力。
增加升力：透過減少阻力，將更多引擎產生的能量轉化為推力，從而增加升力產生和「升阻比」（lift-drag ratio），特別是在起飛和降落階段。
增強穩定性：翼尖或小翼透過抑制「湍流」（turbulence）的影響和降低機師操控難度來提高飛機的穩定性，從而提供更安全、更舒適的飛行條件。
燃油效率：減少阻力可以降低燃油消耗，從而為航空公司節省成本並減少對環境的影響。
增加航程：改進的空氣動力學效率可實現更大的航程能力，使飛機能夠到達更遠的目的地，而毋須額外的中途站。
增加有效負載能力：透過最大限度地提高空氣動力學性能，翼尖或小翼使飛機能夠承載更重的有效載荷，同時保持最佳的燃油效率，從而提高航空公司的營運靈活性和收入潛力。
小思考，大智慧
- 翼尖除了應用於飛機機翼上，還有甚麼地方也應用翼尖呢？
- 若翼尖應用於賽車上，有甚麼好處呢？
參考答案
1. 翼尖的用途很廣泛，包括飛機和直升機螺旋槳的葉片、天花板的風扇，甚至安裝在賽車車頭和車尾的裝置。
2. 在飛機上，翼尖通常是指機翼的最外緣垂直延伸部分。同樣，在賽車中分秒必爭，減低阻力對於在賽道上獲得優勢能起至關鍵作用。翼尖能夠減少向前移動時遇到的阻力，從而提高燃油效率和最高速度。除了減阻之外，翼尖在賽車移動中亦可產生額外的下壓力。透過改變氣流方向形成低壓區施加向下的力，將車壓在路面上，增強牽引力和轉彎的抓地力。下壓力的增加使駕駛員能夠突破極限，從而實現更快的轉彎速度並提高整體性能，降低失控或不穩定的風險，特別是在高速轉彎操作期間。
本欄逢周四刊登，由教育評議會邀請資深中小學老師、校長及大學講師撰稿，旨在為學生提供多元化的STEAM學習材料，引發學生探求知識的興趣，將學習融入生活，培養學生的世界觀、敏銳的觸覺、積極學習的態度。
文：英華書院物理科老師麥家駒、英華書院飛行訓練導師黃泓毅
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