翼型系列 5：高升力裝置

June 22, 2024

前一篇 ^[1] 介紹了幾種不同種類的翼型，其各有特色和優劣勢，各適合不同條件下的用途。但是如果我們飛機的使用條件橫跨了兩種不同翼型的適用範圍，選了這個翼型的話那個條件就不好，選了那個翼型則這個條件就不好，那又該怎麼辦呢？其中最為廣泛常見的，當屬是要讓高速機翼同時也能在低速條件下飛行，因為飛機再怎麼樣也得起飛降落嘛！此為了滿足這樣的使用需求而發明出來的補丁裝置，即是本篇的主題：高升力裝置。

能變形的機翼

我們已經知道，低速飛機適合使用高翼弧的、甚至帶內凹的那種翼型，而高速飛行適合比較平直、沒什麼弧度的翼型，但如果我的飛機又想要能飛快、也能飛慢的話，在選擇翼型上就出現兩難困境了。當然慢速飛機可以說：我就選慢速翼型，我就慢慢飛就好了，飛不快就算了！可是高速飛機就不行了啊，在怎麼樣也總得需要慢慢飛的時候吧？至少需要可以起飛降落，可是那些適合較高速的翼型通通不能飛得慢啊！為了解決這個問題，其實主要是為了解決高速機翼在低速時升力不足的問題，我們需要一個能夠變形的機翼，在高速時變成高速翼的形狀，到了低速時就變成低速翼的形狀；而這其實就是高升力裝置的基礎想法。只不過目前的技術水平還沒辦法造出可以像麻糬一樣隨意變形、而且還能維持足夠結構強度的機翼結構，於是退而求其次，我只要讓它儘量變得稍微像一點就好了，反正高速飛機也不是經常維持在低速狀態飛行，在需要它的少數時間裡可以將就用得上就好了！

於是我們就像下圖(Figure 1 圖上)所示範的那樣，在正常的機翼結構上加上兩個轉軸，用這兩個轉軸就能把機翼稍微凹一下，是不是就變成了一個沒那麼漂亮的、帶高翼弧的低速翼了呢？不過也並不是所有的飛機都會做出這兩個轉軸出來，有些飛機為了節省製造成本、或者節約結構重量，就省略了靠前的那根轉軸，而只實現了靠後的那根轉軸(Figure 1 圖下)。這樣我們的機翼就被分成了前中後 3 片(或者前後 2 片)，中間的那片就是機翼本體，而前後兩片都被統稱為「襟翼」(flaps)；如要再區分的話，前面那片就叫「前緣襟翼」(leading edge flap)、後面那片叫作「後緣襟翼」(trailing edge flap)。

Figure 1. 折彎機翼使增加彎曲弧度

有了襟翼的存在，在正常飛行的時候將襟翼放平，就成了設計的正常形狀，而在起飛降落或其他需要低速飛行的時候，就把前後襟翼彎下來，可以將就著湊合提供足夠的升力。大部份的飛機甚至不是只有襟翼全收合、和全放下這兩種狀態，而是有數檔中間位置可以使用，駕駛員就能夠依據當下的飛行狀態選擇合適的機翼彎曲度(襟翼放下程度)。

當然襟翼並不只這麼單純，實際常用的襟翼還有數種不同型態，各有優劣和適合使用的情境，在下面我將一一介紹並解釋這些不同的襟翼設計。

後緣襟翼

簡單襟翼(Plain Flap)

Figure 2. 簡單襟翼(Plain Flap)

這種襟翼的結構和作動方式就如同前面所示範的一樣，就是單純的使用一個軸折彎機翼後部。它的特點就如同它的中文名稱：簡單，用最簡單的方式將平直的機翼凹成一個具有大弧度的機翼。當然這麼簡單的襟翼自然也就存在不少缺點，其中最大的問題莫過於就是氣流在彎下去了的襟翼背面容易貼不住，也就是氣流容易在那裡發生分離，具體請參照之前那篇探討機翼氣流現象的文章 ^[2] 。不過雖然簡單機翼存在著這樣那樣的缺點，但就憑著它這個簡單，它被大量使用在許多小型飛機上。且它簡單帶來的好處還不只製造便利而已，它的結構也是簡單輕巧又堅固，所以許多看起來高端上檔次的名貴飛機也採用了這種襟翼，比方大部份的現代戰鬥機。

Figure 3. Plain flaps on Van’s RV-6 ^[3]

Figure 4. Plain flaps on F-22 ^[4]

開裂式襟翼(Split Flap)

Figure 5. 開裂式襟翼(Split Flap)

單純將機翼尾部折彎的方法雖然增加了機翼的彎曲度，提高了低速下的升力，但是更高的彎曲度也使得上表面的氣流更容易發生分離。那如果只增加下表面的彎曲度，而保留上表面原來的彎曲度呢？這便是開裂式襟翼。

開裂式襟翼的流場在之前的文章 ^[2]其實已經解釋過了。開裂式襟翼只彎曲了機翼下表面但不改變上表面，在增加升力的同時，還避免了因為上表面氣流分離而導致的失速問題，而且結構一樣簡單輕巧。但缺點也如同那篇的內容所說的一樣，在機翼後面不可避免的會產生較大的迴流區，導致大阻力；它雖然維持了升力，卻產生了強大後拉阻力的副作用。

至於這個副作用是好是壞就得看情況了，在低速增加升力的同時，如果你正好不希望飛機速度太快，如果你正好想要飛機也減點速度下來的話，那麼這個副作用就不是個壞事，而這正好符合大部份降落時的情況。因此這種結構簡便、性價比高、可以在增加升力的同時順便充當減速板使用的開裂式襟翼，便也經常出現在許多小飛機上面。

Figure 6. Split flaps on DC-3 ^[3]

Figure 7. Split flaps on Zero ^[5]

延伸式襟翼(Fowler Flap)

Figure 8. 延伸式襟翼(Fowler Flap)

延伸式襟翼不像前面所描述的那些襟翼，它們都是將機翼折彎以增加彎曲度；延伸式襟翼則是將機翼尾端伸出去、延長，除了增加機翼彎曲度之外，更大的目的其實是增加機翼的面積。

確實，增加升力並不是只能用更大的彎曲度來達成，增加機翼的面積同樣也能增加產生的升力。缺點就是機翼延伸的制動機構結構較複雜，重量也較大。只不過這種單純只延伸機翼的實際應用極其少見，而大部份會整併其他襟翼的功能，這種複合式的襟翼類型我們放到後面再討論。

開縫式襟翼(Slotted Flap)

Figure 9. 開縫式襟翼(Slotted Flap)

從前我提過 ^[2] ，機翼的上表面才會出現氣流分離的問題，而下表面就沒有這種顧慮，因為除非氣流能夠把機翼給吹斷，否則下表面無論怎麼彎曲，氣流也只能被壓著轉向。那麼這就延伸出了一個想法：我能不能用別人的下翼面來幫我壓一壓我的上翼面氣流呢？然後你再仔細看看開縫式襟翼的構造，你看這是不是就是這麼樣一個原理呢？

開縫式襟翼在往下折轉的時候，會在襟翼和主翼中間出現縫隙，使機翼下表面的高壓氣流可以從這個縫隙竄出來。並且再仔細觀察還會發現，襟翼和主翼之間的縫隙形狀還是精心設計過的，這條縫隙的原理其實就是用前面主翼的下翼面來強壓折彎氣流，讓氣流去更好的貼附在後面襟翼的上表面，從而避免了襟翼上的氣流分離。

不過這種看似完美的作法也不是沒有副作用，多開的這條縫使機翼下表面的氣流可以分流往上竄，其實就是將原本高壓的下表面空氣洩壓到比較低壓的上表面來，會造成機翼上下面的壓力差縮小，白話來說就是會損失升力；不過兩害相權取其輕，在低速高攻角的飛行狀態下，與其讓氣流分離使機翼失速，損失的這一點升力自然就不是那麼重要了！

延伸開縫式襟翼(Slotted Fowler Flap)

Figure 10. 延伸開縫式襟翼(Slotted Fowler Flap)

前面介分別紹過了延伸式襟翼和開縫式襟翼，它們雖然在原理上是不同的概念，但是在實際上卻比較少見它們單獨出現在飛機上，實務上這一對哥倆好幾乎總是會參和著一起出現在飛機上。而這種又開縫又延伸的複合襟翼我們就叫作延伸開縫式襟翼。甚至於這種襟翼還可以做成多層的，襟翼後面還有襟翼，它們兩層的叫 double slotted fowler flap、三層的叫 triple slotted fowler flap，至於再多層的就真的很罕見了！

這種類型的襟翼被大量應用在現代的民航客機上，是一般人最容易接觸到的襟翼類型，也許下次坐飛機的時候選個靠窗的位置，就能在起降時看見它的詳細動作了。這種襟翼簡直是集了眾多襟翼的優點，又增加了機翼的彎曲度、以開縫吹彿的方式解決氣流分離的問題、還增加了機翼面積，那麼這麼完美的襟翼為什麼沒有淘汰掉其它所有的襟翼、進而獨霸所有的飛機呢？這就要說到它的最大缺點了：結構複雜、制動機構體積大也重量大。你看下圖實機照片，不知您是否曾好奇過在飛機的機翼下面，圖片中被圈起來的這些奇怪形狀是什麼？它們就是襟翼的支撐和制動機構的整流外殼！

Figure 11. Double slotted fowler flaps on C-13 ^[3]

Figure 12. Double slotted fowler flaps on A310-300 ^[6]

前緣襟翼

簡單襟翼(Plain Flap)

Figure 13. 簡單襟翼(Plain Flap)

簡單式前緣襟翼除了位置不一樣之外，就和簡單後緣襟翼是一樣的，原理都是透過折彎機翼，使機翼變形產生更大的彎曲度。但是因為其它種類的翼前緣的升力裝置實在太好用了，成本和副作用也沒有增加太多，所以這種簡單型的襟翼反而不是很容易見到。

克魯格襟翼(Krueger Flap)

Figure 14. 克魯格襟翼(Krueger Flap)

克魯格襟翼的作用和簡單襟翼是一樣的，都是用來增加機翼前段的彎曲弧度，但卻比簡單襟翼更加簡便。克魯格襟翼反而和分列式襟翼有那麼點相像，不是讓整塊機翼前部給彎下來，而是只有把一段機翼蒙皮給彎折出來就形成了所需要的機翼弧度。因此這種襟翼其實經常被應用在飛機上，特別是大型飛機機翼的某些難以設置前緣翼縫的畸零地帶。

Figure 15. Krueger flaps on Boeing 747 ^[7]

Figure 16. Krueger flaps on Boeing 777 ^[8]

前緣翼縫(Wing Slat)

Figure 17. 前緣翼縫(Wing Slat)

前緣翼縫的原理和前面說過的開縫式襟翼是一模一樣的，只是從後緣搬到前緣來了。只需要把機翼前緣一小塊往前面伸出去一點就會形成一個縫隙，然後下翼面的氣流就會從這個縫隙吹到上翼面來，本質上就是把前緣分出去的那一小塊變成另一片小機翼，用它的下翼面來強壓氣流，使氣流服貼主翼的上翼面，簡單這樣做就能提高主翼的失速攻角。因為前緣翼縫效果實在好，結構也簡單，因此被大量運用在飛機的機翼上。