揭开飞机翼尖 神秘面纱｜星岛教室
2024-10-03 12:04 
在航空领域，你可能会注意到飞机机翼边缘的不同形状。这些被称为「翼尖」或「小翼」的结构不仅是美观的补充，而且在提高飞机性能和效率方面具有重要作用。本文将揭开飞机翼尖的神秘面纱，探讨其重要性、功能，以及对飞机整体性能的影响。
何谓「阻力」？
要了解翼尖或小翼造成的影响，我们必须先了解「阻力」的概念。阻力是与飞机向前移动相反的力。阻力受到多种因素的影响，包括速度、空气密度，尤其是飞机机翼的形状和配置。从数学物理角度，阻力可以透过以下方程式表示：
D代表阻力；ρ代表空气密度；V代表空速；S代表参考面积（通常是机翼面积）；CD代表阻力系数。
翼尖类型
多年来，航空工程师开发了各种翼尖设计，每种设计都是为了应对特定的空气动力学挑战及优化性能而量身订造的。以下是一些常见的翼尖类型：
融合式翼梢小翼Blended Winglets
特点是机翼末端轻轻向外弯曲，并与机翼本身无缝融合。例子有波音737、757和767。
鲨鳍小翼Sharklets
与融合式翼梢小翼类似，鲨鳍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
特点是从机翼末端延伸以创造更多表面积并减少阻力，将其想像为「扁平」小翼。例子有波音747-8、767-400、777X、787梦幻飞机。
倾斜翼尖小翼Canted Winglets
特徵是明显短且向上倾斜。例子有波音747-400、空中巴士A330和A340。
运作原理及好处
翼尖或小翼的功能是最大限度地减少「诱导阻力」（induced drag）的影响，当空气围绕翼尖从高压下侧流向低压上表面时，就会产生诱导阻力。这些涡流会产生阻力，降低整体空气动力效率。翼尖或小翼透过改变翼尖处的气流模式来发挥作用，从而最大限度地减少涡流的形成并减少诱导阻力。
以下是它们带来的好处︰
减少诱导阻力：翼尖或小翼透过降低阻力系数（CD）直接影响阻力方程式。透过最大限度地减少涡流的形成并改变气流模式，翼尖或小翼可有效减少诱导阻力，从而降低作用在飞机上的整体阻力。
增加升力：透过减少阻力，将更多引擎产生的能量转化为推力，从而增加升力产生和「升阻比」（lift-drag ratio），特别是在起飞和降落阶段。
增强稳定性：翼尖或小翼透过抑制「湍流」（turbulence）的影响和降低机师操控难度来提高飞机的稳定性，从而提供更安全、更舒适的飞行条件。
燃油效率：减少阻力可以降低燃油消耗，从而为航空公司节省成本并减少对环境的影响。
增加航程：改进的空气动力学效率可实现更大的航程能力，使飞机能够到达更远的目的地，而毋须额外的中途站。
增加有效负载能力：透过最大限度地提高空气动力学性能，翼尖或小翼使飞机能够承载更重的有效载荷，同时保持最佳的燃油效率，从而提高航空公司的营运灵活性和收入潜力。
小思考，大智慧
- 翼尖除了应用于飞机机翼上，还有甚么地方也应用翼尖呢？
- 若翼尖应用于赛车上，有甚么好处呢？
参考答案
1. 翼尖的用途很广泛，包括飞机和直升机螺旋桨的叶片、天花板的风扇，甚至安装在赛车车头和车尾的装置。
2. 在飞机上，翼尖通常是指机翼的最外缘垂直延伸部分。同样，在赛车中分秒必争，减低阻力对于在赛道上获得优势能起至关键作用。翼尖能够减少向前移动时遇到的阻力，从而提高燃油效率和最高速度。除了减阻之外，翼尖在赛车移动中亦可产生额外的下压力。透过改变气流方向形成低压区施加向下的力，将车压在路面上，增强牵引力和转弯的抓地力。下压力的增加使驾驶员能够突破极限，从而实现更快的转弯速度并提高整体性能，降低失控或不稳定的风险，特别是在高速转弯操作期间。
本栏逢周四刊登，由教育评议会邀请资深中小学老师、校长及大学讲师撰稿，旨在为学生提供多元化的STEAM学习材料，引发学生探求知识的兴趣，将学习融入生活，培养学生的世界观、敏锐的触觉、积极学习的态度。
文：英华书院物理科老师麦家驹、英华书院飞行训练导师黄泓毅
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