如果你曾經(jīng)在商用飛機(jī)的窗戶(hù)上拍了一張照片，那么你可能有一個(gè)很好的小翼——翼尖向上傾斜。翼尖形狀的細(xì)微變化真的很重要。它可以減少阻力，這可以轉(zhuǎn)化為更高的速度，或者讓飛行員節(jié)流和節(jié)省燃料。這也有助于減少葉尖渦流，這可能是飛機(jī)在尾流中飛行的一個(gè)問(wèn)題。
雖然小翼從20世紀(jì)70年代中期就出現(xiàn)了，但仍有各種形狀、尺寸和角度。伊利諾伊大學(xué)的研究人員菲利普安塞爾、凱詹姆斯和研究生普拉泰克蘭詹的目標(biāo)是分析小翼以找到最佳特性，從而獲得最低的飛機(jī)凈阻力。
“許多關(guān)于非平面機(jī)翼設(shè)計(jì)的學(xué)術(shù)研究將安裝過(guò)程中翼尖90度轉(zhuǎn)彎的小翼理想化，盡管有許多東西可能會(huì)有這些尖銳的接頭。因?yàn)閱渭茱w機(jī)有一套獨(dú)特的限制和要求，伊利諾伊大學(xué)工程學(xué)院航空航天工程系助理教授安塞爾說(shuō)，很難概括如何設(shè)計(jì)一架飛機(jī)。”然而，在研究非平面機(jī)翼系統(tǒng)時(shí)，我們將這個(gè)問(wèn)題細(xì)化為一個(gè)非常具體和規(guī)范的問(wèn)題。我們使用多保真度優(yōu)化方法，從非常簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)算法開(kāi)始，以便更好地理解正負(fù)10以?xún)?nèi)的設(shè)計(jì)空間精度百分比。
在他們的研究中，該團(tuán)隊(duì)專(zhuān)注于非線性機(jī)翼設(shè)計(jì)，稱(chēng)為超橢圓弧跨度(HECS)機(jī)翼構(gòu)型，其中機(jī)翼的垂直投影可以用超橢圓方程進(jìn)行數(shù)學(xué)描述。
“我們把機(jī)翼的幾何形狀簡(jiǎn)化成非常簡(jiǎn)單的東西，”安塞爾說(shuō)?！拔覀冇贸瑱E圓方程表示機(jī)翼的非平面性——它有多彎，翼尖有多高，等等?，F(xiàn)在我們可以很容易地改變方程中的值來(lái)找到最佳值——當(dāng)接近葉尖時(shí)，顯示機(jī)翼，彎曲更尖銳或更平滑，小翼高度更大或更小。
安塞爾說(shuō)，該算法從固定升力、固定投影跨度、固定彎矩和固定機(jī)翼重量開(kāi)始，以產(chǎn)生阻力最小的機(jī)翼——并最終提高效率。
安塞爾說(shuō)：“雖然其他人研究了具有混合小翼設(shè)計(jì)的非平面機(jī)翼，但大多數(shù)人只關(guān)注機(jī)翼阻力的所謂“無(wú)粘”方面，而忽略了空氣粘性引入的復(fù)雜阻力源。“但這只是畫(huà)面的一半左右。在我們的公式中，我們包括了這些粘性阻力源，因?yàn)樗鼈儗?duì)機(jī)翼的凈效率有很大的影響。例如，很容易通過(guò)增加來(lái)減小機(jī)翼的無(wú)粘阻力。非常高的小翼在翼尖有非常尖銳的接頭。然而，這將產(chǎn)生明顯的粘性阻力，從而降低這種設(shè)計(jì)在實(shí)踐中的有效性?！?
“通過(guò)實(shí)施嚴(yán)格的數(shù)值優(yōu)化程序，我們可以系統(tǒng)地探索可能的設(shè)計(jì)空間，并最終獲得看似不尋常的設(shè)計(jì)，我們永遠(yuǎn)無(wú)法依靠直覺(jué)進(jìn)行預(yù)測(cè)，”凱詹姆斯(Kai James)說(shuō)，他也是航空航天工程系的助理教授。
安塞爾說(shuō)，這一綜合優(yōu)化框架將有助于目前的低速機(jī)翼設(shè)計(jì)狀態(tài)，但也可能導(dǎo)致現(xiàn)有傳統(tǒng)機(jī)翼設(shè)計(jì)在亞音速飛行狀態(tài)下運(yùn)行的改進(jìn)。
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