超临界机翼(英文:Supercritical airfoil或Supercritical Wing)是飛機翼的一種,其設計有別於傳統機翼,其主要功能在於減輕跨音速飛行的波阻效應(wave drag)。空中客车A300是第一款採用超臨界機翼的民航客機。1980年代以後,超臨界機翼普遍運用在有高速飛行需求的噴射機上。
机翼設計
討論超臨界機翼的起始可追朔回1940年執行的研究。雖然當時人類未有實際進入穿音速甚至超音速飛行的飛機,但德國流體力學專家K. A. Kawalki設計適合接近音速的飛機翼型該有的特性,他認為適合在音速飛行的機翼特點是橢圓形前緣、機翼最大厚度位於下游至弦長的50%處,以及平坦的機翼上表面。
1950年代噴射機發展快速,工程師在各種新飛機測試中了解到飛機速度接近音速時,主翼上翼面的空氣流速會先於飛機進入超音速狀態,空氣压缩性將會讓飛機的機翼上表面製造一道氣體牆,增加阻力,並產生馬赫下俯現象。工程師在明瞭音障對飛機飛行性能的影響時,也知道可以藉由修改主翼形狀去降低激波生成狀況,合適的超臨界翼型設計較傳統翼型設計能讓飛機在接近一馬赫速度下有著更穩定的飛行性能。
1962年,英國研製的維克斯VC10客機開始針對削減高速飛行音障而設計的改良型主翼,此設計在三叉戟客機再度精進,最後在1970年代研發的空中巴士A300上完成實用。
在美國,由NASA工程師理查·惠特科姆(Richard T. Whitcomb)於1967年首先提出超临界机翼的外型設計,F-104的改装机NASA 806(TF-8),最早用于超临界机翼试验,进行了大量风洞及飞行验证。NASA 829(TF-104G),承担更多复杂气动试验任务。
传统机翼上表面较弯曲,可以增大空气流速从而提高升力,且越弯曲气流越快,但也带来一个问题,即在飞机接近音速时,上表面的空气有可能已经超过音速,超音速的气流会产生激波,带来很大阻力,因此超临界机翼有著比傳統機翼更平坦的上表面,較薄弧度也較大的後緣,而且向上弯曲、較大的前緣半徑。
相關連結
- 面積法則
- NACA翼型
參考
#Hans-Ulrich Meier, Die Pfeilflügelentwicklung in Deutschland bis 1945, ISBN 3763761306 Einspruch (1984) gegen US-Patentschrift NASA über »superkritische Profile«, basierend auf den Berechnungsmethoden von K. H. Kawalki (1940) p.107. German
#Anderson, J: Fundamentals of Aerodynamics, p. 622. McGraw-Hill, 2001.
#ibid.: p. 623.
- [http://ndltd.ncl.edu.tw/cgi-bin/gs32/gsweb.cgi/login?o=dnclcdr&s=id=%22078NCU02489038%22.&searchmode=basic| 傳統機翼與超臨界機翼在穿音速流之比較 台灣國立中央大學機械工程研究所 王義廷 1990年]
Superkritisches Tragflächenprofil
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