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利用流體中的隱形殺手–翼尖渦及翼尖帆

95/06/07 瀏覽次數 14843
911後的空難

就在2001年9月美國遭遇911恐怖攻擊後不久,11月12日早上,美國航空公司一架由紐約飛往多明尼加的空中巴士A300型客機,編號AA587航班,剛從甘迺迪機場起飛4分鐘就墜毀在附近皇后區海灘旁的住宅區,機上260人全部喪生,造成美國史上死亡人數次多的空難。由於地點在紐約,當時還一度懷疑又是一起恐怖攻擊事件。

但是經過近3年的調查,美國運輸安全委員會去年最後的報告指出:由於這班飛機跟在一架日本航空公司的波音747大型客機之後起飛,因此起飛後3分鐘內,曾遇到兩次747的機尾紊流,在第一次震盪時,飛機操作仍然正常,但是在第二次震盪時,飛機突然傾向一側3次,然後左傾下墜。

調查報告中提到AA587航班所遭遇到的機尾紊流的渦漩強度,並不會使A300空中巴士有墜毀的危險,但是機長想要迅速修正受到機尾紊流所造成的傾斜,因而反應過度,反覆大幅地改變方向舵角度,導致垂直尾翼承受超過材料所能負荷的力量而脫落,才是飛機墜毀的主要原因。

其實,這裡所謂的機尾紊流正確地說應該是「翼尖渦流」。這是一種產生於飛機翅膀兩端的強烈渦漩,會流向機身後方,而且離飛機越遠影響範圍越大,但是基於「環流守恆」原理,其旋轉的強度則是減小。至於真正由機體產生的紊流,並不會旋轉得這麼厲害。「翼尖渦流」在航空史上可以說是惡名昭彰,不僅每位飛行員還在課堂中上課時就會被叮嚀不要飛在前方的飛機所產生的強大紊流中,實際上它也已經直接引起數件空難。

成為隱形殺手的翼尖渦

由於空氣和水都是透明的,我們難以看到其中的渦漩,因此可以說這種常引起問題的翼尖渦漩是流體中的隱形殺手。那它又是如何產生的呢?一般飛機的翼面都是利用白努利原理,使流經上表面的流體流速較快,壓力較低,因而產生向上的升力。但到了翼面尖端的地方,由於再也沒有翼面的分隔,使得下方的高壓氣流循著翼尖往上滾捲流動到較低壓的翼面上側,加上本來流體就往後方流動,形成一種螺旋式的漩渦運動,翼尖渦就這樣產生了。

翼尖渦,這種翼面必然會引起的現象,帶來許多工程應用上的問題,其中最嚴重的當然是引發空難的風險。1992年12月18日在美國蒙大拿州比林斯羅根機場,一架塞斯納550型小飛機跟在一架波音757客機後面落地。由於它跟得過近,在距離波音757後方2.78海里時,忽然向左滾轉,以近乎垂直的角度墜地,機上8人全部喪命。

1993年4月24日在科羅拉多州丹佛機場,一架降落中的波音757客機的翼尖渦流,被風吹向斜後方另一架降落中的聯合航空波音737客機,造成737客機向左滾轉23度,而且損失了200英尺的高度,幸好機長取得控制,重飛後安全降落。

在各型民航機中,以波音757及747兩種機型引起的後方飛機的飛安事件較多,不過原因不太相同。因為翼尖渦來自翼面上下方氣流的壓力和流速的差異,而翼面上下的壓力差就是機翼升力的來源,因此翼尖渦的強度會和翼面可提供的升力成正比。而翼面提供的升力大小須至少是飛機的重量,這樣飛機才飛得起來,因此一般而言,飛機越大,翼尖渦也越強。目前營運中最大的民航機波音747型客機,就有很強很大的翼尖渦。

至於波音757這種中型的民航客機,雖然翼尖渦的強度沒有波音747那麼大,但由於它特殊的翼形與襟翼設計,造成翼尖渦比較不容易消散,而引起後方飛機的危險。

民航機的翼尖渦會引起一個機場使用上的問題。由於類似波音747般的大型飛機的使用非常普遍,各大機場必須拉開飛機起降的間隔,以免在大飛機後面起飛或降落的飛機受到翼尖渦的影響。但是這樣做對於起降繁忙的機場而言,等於限制了起降的班機架次,或是必須延長開場時間,造成附近居民深夜還要飽受噪音之苦。

另一方面,大城市附近的機場因土地難尋而無法擴充跑道或新建機場,因此隨著民航市場的擴大,如何縮短兩架飛機起降的間隔,就成為重要的問題。也就是說如何克服翼尖渦的潛在風險,變成民航市場能否持續擴大的關鍵之一。

具有翼面的其他類似機器,如再生能源中熱門的風力發電機、普遍使用於家庭與工廠的風扇、以及直昇機,也都會有翼尖渦的產生。雖然這些機器翼面的流速較慢,並不會有很強的翼尖渦影響附近的東西,但是卻有可能引發惱人的噪音。直昇機特殊而巨大的葉片噪音,就是由於旋轉中的葉片直接進入前一片葉片後方形成的紊流所造成的,而這紊流中有一部分來自翼尖渦。

此外,目前大部分船上的推進器使用螺槳,其葉片也是翼面形狀,因此葉尖也會有強大的翼尖渦形成。在翼尖渦內部由於旋轉的關係,水流速度較大,因此水的壓力會低於同溫度時水的蒸氣壓而使水直接汽化成氣泡,形成「空化」現象,稱為「葉尖空化」。這些氣泡會隨著翼尖渦的螺旋軌跡往下游流動,由於葉片數目通常多於兩片,而會形成美麗的多重螺旋。

仿生改進的翼尖帆

所謂的翼尖帆,其實只是裝在水平的翼面尖端的一個垂直的小板子,而且並不是什麼新發明,據說英國人在19世紀末就曾經提出一種類似裝置的專利申請。另一方面,有些生物學家觀察到老鷹飛行時可以把翅膀尖端的羽毛翹起,展現優雅的飛行姿勢,但是對這樣做的好處一開始也了解不多。因此,對於翼尖帆的原理及如何適當地運用,遲至1970年代才有比較多的研究。

1978年美國航太總署郎立實驗室的李察‧惠特康,在風洞實驗中發現一些翼尖帆的裝置可以提高翼面的空氣動力效率達10~20%,並且發現其作用的原理。

基本上,利用翼尖渦由外下側向內上側滾轉的流動方向,在翼尖處裝置一個小翼斷面-翼尖帆,使翼尖渦成為翼尖帆的入流,而對翼尖帆產生一個斜向飛機的前內側的合力。也就是說,這個合力會有一個分力是向翼面的內側,另一個朝向飛行的前方。朝內側的分力要用結構強度克服,而向前的分力等於提供一點推力,或說減少了一些阻力。當然,加上翼尖帆之後會增加表面積,也就是會增加摩擦阻力,但是只要設計得當,使得提供的推力大於增加的摩擦阻力,就可以使得翼面的空氣動力效率提高。

翼尖帆其實也是一種回收部分原本被翼尖渦浪費掉的動能的方法,這種以能量回收來提高效率的方式,在很多生物的身上可以見到,也可以說翼尖帆是另一種成功學自生物的仿生工程。從這個例子再次看到,對於人類發明在流體中行駛的交通工具,如船、飛機、車輛等,或許在外型設計上多向動物們學習大概不會錯,畢竟長期的演化是一種相當不錯的最佳化方法。

最早加裝翼尖帆的是一般商用噴射機,如格魯曼公司的灣流III、IV型,現在已經普遍應用到大型民航客機及軍用運輸機,像是波音747-400、麥道MD-11型或C-17運輸機上。新的空中巴士也有多型採用,而且翼尖帆的設計不是只有裝在主翼面上方一種,如A-320型的設計就是伸出於主翼面上下兩側。而根據渦流的強弱,翼尖帆的翼面大小也不同。此外,船的螺槳與飛機機翼類似,當然也有人想到裝設類似翼尖帆的小板來減少葉尖空化、提高推力,只是應用上還不甚普遍。

加速消散翼尖渦

雖然翼尖帆能有效增加翼面效率,但是無法讓翼尖渦影響後方飛機的問題消失。同時,航空運輸量還在增加,而機場也難以擴建,因此如何縮短兩架次的間隔讓機場的起降更為密集,成為民航界技術上與管理上的重要問題。但是卡在翼尖渦的嚴重影響,過去一直不能突破這個技術瓶頸,即使有了翼尖帆可以略微減少機尾紊流的強度,仍不足以大幅縮短兩飛機之間的安全距離。

接續的研究就只好從流體力學方面思考如何使翼尖渦較快消失。科學家從基礎流體力學的研究中已經知道:兩條強度約略相當的平行渦漩如果靠得夠近,再加上一點不穩定性產生的交互作用,會使渦漩的間距產生變化,有些地方甚至會互相接觸,然後形成一串甜甜圈狀的環形渦,而這種環形渦下沉的速率遠高於原本的兩條平行渦漩。於是聰明的波音公司工程師想到可以利用這種特性讓翼尖渦消失得快些。

他們想出來的做法是使位在主翼內側的襟翼進行上下反覆的擺動,在擺動過程中,基於相同的原理,襟翼也會產生小型的翼尖渦。而這小型的翼尖渦到了下游會影響同側的主翼翼尖渦,兩者產生交互作用後,會讓主翼翼尖渦的不穩定性發生,其軌跡開始間歇性扭曲,於是兩個原本相距很遠的主翼翼尖渦,開始在某些地方靠近,最後碰在一起,變成一個個的環狀渦列。

這種下沉消失速率較快的環狀渦會使後方的飛機更為安全。他們還用美國海軍的大型拖航水槽進行實驗,實地觀察渦漩變形下沉的過程與速率,驗證了這項方法的可行性。

但是飛機的升力怎麼辦呢?襟翼一旦反覆上下擺動,飛機機翼能提供的升力也就會忽大忽小,這樣怎能安全起降呢?工程師讓左右兩側的襟翼擺動的方向正好相反,也就是左邊的往上時,右邊的就往下,左下就右上,如此就可以使機翼的總升力保持不變。唯一的小缺點是在某個瞬間,左右機翼的升力可能會略有不同,使機身有點輕微的左右擺動。另外就是還要額外裝設一套電腦控制系統以自動控制襟翼的擺動,這樣就可以把隱形殺手的問題解決大半了。
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