飞机机翼的进化
 

应用背景:早期的飞机机翼都是平直的。最初是矩形机翼,很容易制作。但由于其翼端宽,会给飞机带来阻力,严重地影响了飞机的飞行速度。后掠翼:一举突破"音障"德国,英国,美国喷的气式飞机先后上天。飞机开始进入喷气式时代,其飞行速度迅速提高,很快接近音速。机翼上出现"激波",使机翼表面的空气压力发生变化。同时,飞机的阻力骤然剧增,比低速飞行时大十几倍甚至几十倍。这就是所谓的"音障"。为了突破"音障",许多国家都在研制新型机翼。德国人发现,把机翼做成向后掠的形式,像燕子的翅膀一样,可以延迟"激波"的产生,缓和飞机接近音速时的不稳定现象。但是,向后掠的机翼比不向后掠的平直机翼,在同样的条件下产生的升力小,这对飞机的起飞、着陆和巡航都带来了不利的影响,浪费了很多不必要的燃料。能否设计一种适应飞机的各种飞行速度,具有快慢兼顾特点的机翼呢?这成为当时航空界面临的最大课题。
 
有何经济效益和社会效益:新的设计方案抛弃了传统的固定翼设计概念使其在不同的速度之下机翼配合相应的飞行姿态,具备了平直机翼升力大的特点;而在高速飞行时,它的两翼又尽量后掠,后掠角可达72.5度,变得像三角机翼一样,因此能够轻易突破"音障"。,从而有效地降低了迎风面积(既作用在飞机表面的气流的横截面积),达到了节能降耗,以及提高飞行速度的目的,.最终实现提高其战斗力的根本目的。
 
问题描述:根据上述分析,系统存在的技术矛盾有:
 
传统的固定翼不适合高速飞行,在突破音障的时候产生非常大的阻力,消耗的能量相应加大,而且容易产生飞机在空中解体;
 
三角翼不适合低速飞行,而且起飞与降落以及巡航时在相同推力条件下产生的升力小相应的能量消耗又相应地加大了。
 
总之,矛盾集中体现在速度与其在运动中能量消耗之间的矛盾上。
 
解决思路和关键步骤:
 
运用TRIZ理论中的技术矛盾矩阵,涉及的技术特性:
19# 运动物体的能量消耗
9# 速度
查阅技术矛盾解决矩阵,可以得到以下四条创新原理:
8# 重量补偿
15# 动态特性
35# 物理或化学参数变化
38# 加速氧化
 
加配重明显不适合这种战斗机,战斗机要求机身轻,灵活机动,而且加重机身还使速度这个技术特性恶化。
 
强力氧化剂虽然可以使燃料燃烧的更充分,获得较大的推力。但是战斗机上使用的是特制的高热量航空煤油,在涡轮喷气发动机中的燃烧是比较充分的,所以使用这个创新原理的作用不是很明显。
 
对于:
15# 动态特性
35# 物理或化学参数变化
 
综合考虑这两条创新原理..通过对机翼的改造,使其成为活动部件,并且在飞行的时候有效地控制机翼的形态,使之能够在比较大的范围内改变"后掠角",获得从平直翼到三角翼的优点,来获得从低速到高速不同的飞行状态.,表现出很强的适应性。
 

 

(图1)

 
F111战斗机在低速度飞行(图1)中,处在起飞阶段,机翼呈平直状,获得较大的升力,良好的低速特性,避免长距离滑行所浪费的能量,从而有效地解决了飞机在低速度状态下速度与能量之间的矛盾。
 

(图2)

 
如(图2)所示, F111在云层之上高速飞行,两翼后掠减小阻力,从而减小了能耗,延迟"激波"的产生,缓和飞机接近音速时的不稳定现象,使飞机能够达到更高的速度。适应于不同速度下的巡航,既在不同的速度之下采用不同的后掠角,以适应当前的飞行速度。
 
结论:
 
综合考虑所有的创新原理,最终的解决方案为:
应用15# 动态特性
应用35# 物理或化学参数变化
 
改变飞机的飞行形态,既在不同的飞行状态下得到不同的气动外形,可以在很大程度上节约不必要的能耗。根据35#创新原理结合15#创新原理给出的启示,将飞机的机翼做成活动部件,这是飞机设计界一个大胆的创新,一举突破了传统的固有的固定翼设计理念,在飞行器设计领域开辟了一块新天地。反观传统的妥协设计只能在速度与能耗之间做取舍性质的设计。而采用TRIZ技术矛盾矩阵给出的创新原理则避免了传统的妥协设计,从一个全新的角度很好地解决了速度/能量这对技术矛盾。TRIZ理论与妥协设计的不同之处在这里得到了体现。这是TRIZ理论应用的一个经典的例证。
 
最终结果:
 
解决方向:设计者找到了满意的设计思路:能够得到平直翼和三角翼的优良的飞行特性,极大地节约了在起飞/降落过程(平直翼在低速飞行中可得到较大的升力,从而缩短跑道的长度,借此节约了能量)和高速飞行过程(三角翼在高速飞行中可以轻轻易地突破音障,减轻机翼的受力提高飞机在高速飞行时的强度,最终的结果是降低了能量的消耗)
 
解决方案:根据上述分析的结果,设计者设计成功了这种在当时是新型的F111变后掠翼战斗/轰炸机,这是世界是第一架应用变后掠翼设计思想的飞机,开创了新一代超音速战斗机的新纪元。从此以后,世界战机家族又多了"变后掠翼战斗机"这个新成员。以后设计出的一系列变后掠翼战斗机,如:英国、德国、意大利三国联合成立的帕那维亚飞机公司的狂风超音速战斗机等等(图3)都采用了这种新的设计思想。
 

 

(图3)