半環形機翼

半環形機翼（Half ring wing）是一種外觀為半環形，相當於環形機翼一半，分置於飛機兩側的機翼。1985年去世的美國人卡斯特，因為提出了“半環形機翼”飛機設計概念，被人們稱為短距起降之父。

基本介紹

• 中文名：半環形機翼
• 外文名：Half ring wing
• 特點：外觀為半環形，分置於飛機兩側
• 提出者：美國人卡斯特
• 一級學科：航空科技
• 二級學科：航空器

背景

1985年去世的美國人卡斯特，因為提出了“半環形機翼”飛機設計概念，被人們稱為短距起降之父。有人可能要問：上個世紀30年代末，與卡斯特同時代，有許多成功的短距起降飛機。它們都有極出色的短距離起飛與著陸的性能。那么，為什麼沒有稱它們的設計者為短距起降之父，而只提卡斯特呢，況且他也不是最早設計短距起降飛機的人。

回答是這樣的：卡斯特提出了與傳統的機翼機械增升（如前後緣襟翼、開縫翼等改變機翼切面形狀的措施）迥然不同的動力升力概念（藉助飛機動力裝置的能量提高飛機升力），為改善飛機的低速特性，開闢了更為有效的新途徑。

早在20世紀20年代末，有一天，卡斯特親眼目睹一座糧倉的屋頂被狂風拔起、飛掉的情景。他想：如果把糧倉屋頂看作是一種翼型，它不是上、下都處在相對氣流中，而只是由氣流吹過它的頂部，因而產生了更大的升力。於是，通過幾年的模型試驗，他設計成功一種半環形機翼，在它的接近後緣處安裝推進式螺旋槳；機翼前方來的氣流在半環形的通道內加速，因而提高了機翼的升力係數。這種機翼設計恰像一個涵道螺旋槳裝置的下半部。

最後，他在1942年11月12日試飛了採用半環形機翼的CCW-1原型機。這種飛機在微風中起飛時，幾乎不需滑跑就可以離地。CCW-1裝有2台各75馬力的發動機。根據計算，由半環形機翼提供的升力為平均每馬力5.15千克，相當於常規機翼所產生升力的3.5倍。為了解決側向安定性和操縱性，CCW-1還裝有平直形的外翼，但後來證明，去掉外翼，這種飛機仍然可以飛得很好。

1943年，卡斯特向美國陸軍的吉爾摩將軍表演了他的CCW-1飛機。吉爾摩建議美國陸軍航空兵的研究所對這種飛機進行了試飛和風洞試驗。遺憾的是，試驗在1947年中斷。卡斯特個人認為，當時美國空軍的興趣已轉向開發直升機。而實際原因，可能是戰後美國空軍壓縮研究經費的緣故。

此後，卡斯特本人並未放棄，還是多方爭取支援。1948年，泰勒飛機公司與他合作，在泰勒“幼狐”輕型飛機基礎上，改裝成為CCW-2原型機。最後，又利用裝有2台各260馬力“大陸”型發動機的鮑曼-250“旅長”型飛機改造成為CCW-5原型機。

1953年CCW-5（乘員5人）首飛成功。它起飛只需滑跑3秒鐘，滑跑距離約30米即可離陸。應該說明的是它沒有其他短距起降飛機必須依賴的襟翼、開縫等複雜的增升措施。它在空中有極好的氣動特性：最大速度和最小速度之比將近10（一般飛機是3～4）；可以用一般飛機不能允許的小速度做大坡度盤旋；失速特性平和，無怪異現象。唯一有損它競爭潛力的缺點是結構較同等級飛機的重一些。

1964年，卡斯特終於籌集到一筆資金，開辦了一家公司，生產自己設計的半環翼飛機。不料，正當第一架生產型CCW-5完成時，美國證券交易委員會的一項調查又扼殺了他的發明創造。

值得慶幸的是，就在卡斯特去世後不久，前蘇聯的安東諾夫飛機設計局按照他的構想生產了安-181短距起降飛機。在異國圓了這位發明家的夢。2000年，美國蘭利研究中心的科學家丹尼斯·布希內爾發表論文，高度評價半環形機翼在未來先進短距起降飛機設計中的意義。2002年，美國國家航空航天局的布賴恩·坎貝爾和喬治亞工科大學的羅伯特·恩格拉，用以新技術改進的半環形機翼模型進行風洞實驗的結果，證明這種氣動外形的升力係數可以達到8.5（一般機械增升的先進水平約為3），而且阻力還有可能降低。

原理

ccw系列的本質是將機翼繞著螺旋槳直徑彎曲，使得氣流得以從翼面上方流過，直接在翼面上方產生一個負壓區，從而產生比常規固定翼飛機更大的升力，常規固定翼飛機是在發動機推力或者拉力驅動機身前移的過程中，機翼前方氣流流過翼面，由於同樣氣流在呈弧度翼面上下速度不一，上表面氣流快，使得上下翼面產生壓差，將機翼托起。ccw系列是直接把氣流引致上翼面創造與下翼面的壓差。
利用附壁效應的半環翼或者半涵道式飛機在升力上有很大優勢，ccw-2據說有非常好的低速優勢，最低時速據說只有18km，甚至於說它具備垂直上升和懸停的本領。
與之原理最接近的就是採用翼面吹氣形式的短距離起落飛機，比如日本的飛鳥號，波音的yc-14，烏克蘭的安-72，包括最有名的全金屬迷你固定翼飛機“蟋蟀”，僅僅憑藉裝有兩台137cc的單缸二衝程Rowena6507J發動機，輸出功率9馬力就可以輕鬆飛起來，也是藉助其翼面吹氣式的布局獲得足夠升力，但是那些機子採用的翼面吹氣形式受到機翼平面形狀以及噴氣式發動機限制，只有部分受到高速氣流吹襲，而且噴氣式發動機噴出的高溫氣流吹拂對機翼表面要求很高，必須做防熱和耐熱處理。
作為螺旋槳驅動的飛機也許在發動機效率上落後，但是就布局而言，遠不如半圓形機翼表面可以在螺旋槳產生的氣流在與之相對應大小的半環翼表面範圍里均勻分布好。