仿生学的又一胜利
在自然界中,大雁在飞行时总是编队飞行,有时呈"一"字形,有时呈“ V”字形。1914年,德国的空气动力学家魏斯伯格首次提出大雁飞 V”字形可以节省能量这一假说。他认为,大雁翅膀扇动产生的涡旋,其外侧正好是向上的气流,当后方的大雁刚好处在上升气漩里,就会大大省力。
图1. 雁阵V字行飞行
在飞行中,机翼翼尖处存在压力差,会产生自下而上翻动的气流,从而形成一对方向相反、高速旋转的螺旋形涡流,向后、向下延伸。当与前机尾流区位置关系不当时,后机会出现飞机抖动、下沉、甚至翻转等现象,特别是小型飞机进入前机尾流中,处置不当还会发生事故。以前飞行员的第一反应是避开尾流。尽管尾流危害巨大,但其蕴藏着巨大能量,如果飞机能像大雁利用尾流产生涡升力节省体力,那么就能将尾涡流转化成升力,降低燃油消耗率。
图2. 雁阵飞行的空气动力学原理
空客最近公布了它正在开展的民用飞机环保示范项目“Fellofly”,也就是通过两架客机一前一后,像鸟类以“ V”字形编队飞行,使尾随机处于前机产生的上升气流中,从而提高飞行效率,减少排放,发挥出1+1>2的效果,据称可以降低燃油消耗5%到10%。其中的关键技术,是研发使尾随机保持在正确距离和稳定高度的飞行员辅助系统,预计2020年能开发成功,届时将采用两架A350开展飞行测试,以期获得客机在长航程时的高效率。
图3. 空客民用飞机环保示范项目“Fellofly”
“Fellofly”项目并不是大雁编队试飞这个“仿生学”技能的首次尝试。早在2001年,NASA就使用F-18战斗机进行了雁阵效应试飞,证实编队中尾随机在某个高度某个速度下,其阻力减少了20%以上,耗油率降低18%以上。
2012年,经过数十年反复总结经验,积累参数,美国空军在爱德华兹空军基地完成了C-17运输机的“涡流冲浪”编队飞行测试。据说,在飞行品质几乎未受影响的情况下,位于编队后方的C-17运输机平均节省了10%燃油。充分表明,编队飞行可能比单独飞行可节省大量的燃料和成本。
图4. C-17运输机的“涡流冲浪”编队飞行
2016年,当两架A380飞机在相距约3公里编队飞行时,发现尾随机可以节省5%-10%的燃油,乘客的舒适度未受任何影响。
可以预测,“涡流冲浪”可能是未来的发展趋势,因为它不仅最大限度地保证了机组人员和飞机的安全性,而且还能实现客机降低整体燃料消耗的目标。
图5. 民用客机“涡流冲浪”飞行测试
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