基本介紹
- 中文名：翼刀
- 外文名：wing fence
- 出現時間：二戰中後期
- 位置：後掠翼機翼的上表面
定義,歷史,作用,替代技術,翼刀控制技術,國外端壁翼刀技術,國內端壁翼刀技術,
定義
翼刀是安裝在飛機機翼上與機身軸線平行的像刀子一樣的鋁合金片，其形狀像刀子，因而叫做翼刀。
歷史
在二戰後發展起來的噴氣式飛機中，翼刀是一種比較常見的控制失速的手段。由於噴氣式飛機速度非常快，經常在翼尖處出現氣流分離（即高速氣流使翼尖失去升力）的情況，這對飛機來說意味著可操控性能下降，是極其危險的。 我國的飛機大多數有翼刀，這是由於我國的航空技術是由蘇聯引進的，蘇聯在米格15上就採用了四翼刀結構，我國在引進的過程中就直接借鑑了過來。
翼刀結構是控制翼尖失速的各種手段中最簡單廉價的。而這種結構最先採用是在納粹德國末日時期BA349“毒蛇”噴氣式飛機上。有資料稱，二戰結束後，蘇聯以繳獲的BA349為藍本研製出了米格15。
翼刀作為一種二戰時期的技術，根據風洞實驗的結果，翼刀的效果不如一些後來發展的技術，但翼刀還是很可靠的。
翼刀裝在機翼中部，是對氣流控制的要求，如果裝在翼尖，氣流在接觸到翼刀之前就已經發生氣流分離了。而翼刀裝在2/3處，在氣流出現分離前就對其施加擾流作用，也就達到了所需要的目的。
附：升力形成的原理圖
作用
二十世紀四十年代德國空氣動力學家提出了將機翼向後斜置一個角度的後掠機翼（swept- back wing ），並很快被各國所接受，成了現代高速飛機和超音速飛機的標準技術。之後出現的三角機翼，變後掠機翼都是在後掠機翼基礎上發展起來的。後掠角的大小表示機翼後掠的程度。通常所指後掠翼飛機的機翼後掠角（x ）多在25°以上，後掠角較小的機翼仍稱平直機翼。 後掠機翼相對於過時的平直機翼是空氣動力學上的一個巨大進步。當飛機飛行速度接近聲速時，機翼上表面局部氣流速度將超過聲速，這將出現激波，引起激波後面的氣流分離，使飛機阻力急劇增加。對於後掠機翼，垂直機翼前緣的氣流速度分量（vcosx）低于飛行速度 v，從而可以在v已達到或超過聲速時 ，vcosx還未達到聲速。後掠翼還能減弱激波強度，降低波阻。
但是後掠機翼存在著一個缺點：上仰現象。所謂上仰是指當飛機迎角超過一定限度時，俯仰力矩就會發生不穩定轉折，進而導致飛機進入上仰，引發飛機失控。這就極大限制了飛機可用迎角，這對強調大迎角，高攻角的現代戰機來說是不可想像的。
導致後掠機翼上仰的主要原因是翼尖的分離（當然翼根效應也有影響，不過相比之下不足道而已）。由於後掠機翼翼尖在飛機重心之後，翼尖失速導致升力下降，進而引起抬頭力矩。而產生翼尖分離過程則是：相鄰剖面錯位－>上表面弦向壓力分布沿展向產生壓差－>附面層向外翼流動－>翼尖附面層增厚－>翼尖分離。
替代技術
現代戰機通常採用前緣縫翼（增加附面層能量，如Rafale），前緣襟翼（控制機翼氣流分離，如F16）和前緣鋸齒（即氣動翼刀作用，如JAS39）來避免和推遲機翼上仰的出現，另外還有前緣修形（F15A）等做法。
這裡著重說一下前緣鋸齒。與蘇聯飛機相比，西方同時代的飛機多採用此種方式，堪稱是另一種簡單有效的方法。前緣鋸齒的作用是，當有迎角時，鋸齒兩側剖面的弦向壓力分布不連續，氣流在內段捲起，在機翼上形成旋渦，旋渦旋轉方向阻止機翼附面層向翼尖方向發展，推遲分離。Jas39是三代半戰機中唯一用了前緣鋸齒的，多少反映了其氣動技術狀態不如其它飛機。我國和蘇聯早期的很多飛機都採用翼刀這種簡單實用的附面層控制裝置。之所以翼刀在東方沿用了較長時間，更多的是因為習慣和傳統（在中國，特別是考慮到在80年代中期在西方影響進入以前幾乎就是照搬）；也可以說是氣動，自動控制系統落後。
現在飛機自動控制系統普遍數字微機化，它們控制的各種跗面層控制裝置（前緣縫翼，前緣襟翼等），可以替代翼刀，效果比翼刀要好，所以翼刀漸漸淡出。
翼刀控制技術
翼刀控制技術是附面層控制技術的一種，通過在葉柵端壁上安裝翼刀來抑制馬蹄渦的壓力面分支與通道渦的匯合以及端壁附面層的捲起從而控制二次流的發展。早在二十世紀七十年代，PrumPer就曾表明在軸流汽輪機葉柵端壁加裝附面層翼刀可能降低損失。八十年代，Tatsu. KAwAI和shujis HINoKI等人曾在汽輪機葉柵中使用端壁翼刀來控制二次流，在尋求翼刀最佳尺寸和最佳位置以及端壁翼刀和吸力面翼刀的最佳組合方面做出了不懈的努力，發現翼刀抑制了馬蹄渦的壓力面分支從而削弱了二次流,具有最小臨界高度的翼刀為最佳翼刀,端壁翼刀使二次流損失降低了22%。隨後有關學者又研究了流向翼刀、橫向翼刀以及吸力面/端壁組合翼刀等控制二次流的機理，得到了一些有益的結論。在國內，這方面的研究還比較少，哈爾濱工業大學的鐘兢軍教授和劉艷明博士以及田夫博士在壓氣機中使用翼刀來控制二次流方面進行了大量的數值和實驗研究工作，並取得了很多有益的成果。由於翼刀自身參數以及側面形狀變換、順序排列的靈活性，從長遠來看，翼刀技術的研究前景相當可觀。雖然翼刀能控制並減少亞音速壓氣機平面葉柵中的二次流損失，翼刀是否適合跨音速壓氣機葉柵，翼刀是否適合實際壓氣機葉柵，還有大量的工作需要開展。
國外端壁翼刀技術
端壁翼刀技術是在端壁上安裝一片或幾片翼刀,從而控制二次流的方法。在端壁不同周向位置安裝翼刀，無疑不同程度地阻斷了從壓力面至吸力面的橫向流動，從而對葉柵端壁附近的流動情況產生較大的影響，同時還有新的渦系產生。另外，翼刀高度不同，阻斷能力也不同，因此合理選擇端壁翼刀最佳位置和最佳高度一直是諸多研究者研究的重點。
八十年代末期，Kawai等人對具有端壁翼刀的汽輪機葉柵做了詳細的實驗研究。Kawai在實驗分析中發現了翼刀上方反向渦量的存在，這裡所說的“反向”,就是跟通道渦方向相反。YoungJ.Moon和sung-RyongKoh曾對反向翼刀渦的產生作了解釋，提到反向翼刀渦的形成與馬蹄渦和翼刀之間的複雜相互作用息息相關，也就是說馬蹄渦壓力面分支持續抬升至翼刀邊緣,從而在翼刀上方偏向吸力面側誘導出翼刀渦,其旋向與通道渦方向相反。因此，這個旋渦在降低近葉片吸力面二次流發展過程中起著十分重要的作用。
在端壁上加了翼刀後，對端壁附近氣流流動狀況產生了很大的影響，詳細研究其渦繫結構及翼刀控制二次流的機理，以求揚長避短，在減小翼刀附加損失的同時,合理利用翼刀在控制二次流方面的優越性。
國內端壁翼刀技術
同國外相比，國內對翼刀技術的研究起步較晚,主要集中在亞音速壓氣機葉柵中。哈爾濱工業大學的鐘兢軍教授和劉艷明博士以及田夫博士通過翼刀技術抑制壓氣機葉柵中二次流，在這方面進行了大量的實驗和數值研究，取得了很多有益的成果。從2002年開始，鐘兢軍教授和劉艷明博士等人進行了平面葉柵安裝端壁翼刀的數值和實驗研究，結果表明，與常規葉柵相比，在安裝有端壁翼刀的葉柵中，翼刀不同程度地改善了葉柵內二次流動。翼刀阻斷馬蹄渦壓力面分支向相鄰葉片吸力面側的發展，同時分別在壓力面一翼刀和翼刀一吸力面之間區域形成兩個通道渦，這兩個旋渦強度都小於常規葉柵的通道渦強度。馬蹄渦壓力面分支與翼刀相互作用，在翼刀上方偏向吸力面一側有反向翼刀渦產生。
在進行了翼刀最佳周向位置的探索後，鐘兢軍教授等人又進行了翼刀長度和高度以及翼刀軸向位置方面的研究，研究發現雖然隨著翼刀高度增加，翼刀對流道內橫向流動的阻斷作用增強，但翼刀的附加損失增加,翼刀周圍損失峰值也增加，並且波及範圍越來越廣，結果表明，翼刀長度變化時，長度越大,阻斷橫向流動的作用越明顯，但由氣流摩擦所造成的翼刀附加損失也會帶來一定的不利影響。有效降低二次流的最佳翼刀不僅能阻斷流道內的橫向流動，阻止馬蹄渦壓力面分支的發展,而且能有效產生反向翼刀渦，計算結果表明,占據流道前3/4長度的翼刀為最佳長度翼刀。
