TRIZ應用實例-飛機機翼的進化

TIRZ應用實例--飛機機翼的進化早期的飛機機翼都是平直的。最初是矩形機翼，很容易制作。但由于其翼端寬，會給飛機帶來阻力，嚴重地影響了飛機的飛行速度。后掠翼：一舉突破“音障”德國，英國,美國噴的氣式飛機先后上天。飛機開始進入噴氣式時代，其飛行速度迅速提高，很快接近音速。機翼上出現(xiàn)“激波”，使機翼外表的空氣壓力發(fā)生變化。同時，飛機的阻力驟然劇增，比低速飛行時大十幾倍甚至幾十倍。這就是所謂的“音障”。為了突破“音障”，許多國家都在研制新型機翼。德國人發(fā)現(xiàn)，把機翼做成向后掠的形式，像燕子的翅膀一樣，可以延遲“激波”的產(chǎn)生，緩和飛機接近音速時的不穩(wěn)定現(xiàn)象。但是，向后掠的機翼比不向后掠的平直機翼，在同樣的條件下產(chǎn)生的升力小，這對飛機的起飛、著陸和巡航都帶來了不利的影響，浪費了很多不必要的燃料。能否設計一種適應飛機的各種飛行速度，具有快慢兼顧特點的機翼呢？這成為當時航空界面臨的最大課題。

應用背景：有何經(jīng)濟效益和社會效益：新的設計方案拋棄了傳統(tǒng)的固定翼設計概念使其在不同的速度之下機翼配合相應的飛行姿態(tài),具備了平直機翼升力大的特點；而在高速飛行時，它的兩翼又盡量后掠，后掠角可達72．5度，變得像三角機翼一樣，因此能夠輕易突破“音障”。,從而有效地降低了迎風面積〔既作用在飛機外表的氣流的橫截面積〕,到達了節(jié)能降耗,以及提高飛行速度的目的，.最終實現(xiàn)提高其戰(zhàn)斗力的根本目的。

問題描述：根據(jù)上述分析，系統(tǒng)存在的技術矛盾有：

傳統(tǒng)的固定翼不適合高速飛行，在突破音障的時候產(chǎn)生非常大的阻力，消耗的能量相應加大，而且容易產(chǎn)生飛機在空中解體；

三角翼不適合低速飛行，而且起飛與降落以及巡航時在相同推力條件下產(chǎn)生的升力小相應的能量消耗又相應地加大了。

總之，矛盾集中表達在速度與其在運動中能量消耗之間的矛盾上。

解決思路和關鍵步驟：

運用TRIZ理論中的技術矛盾矩陣，涉及的技術特性：

19#運動物體的能量消耗

9#速度

查閱技術矛盾解決矩陣，可以得到以下四條創(chuàng)新原理：

8#重量補償

15#動態(tài)特性

35#物理或化學參數(shù)變化

38#加速氧化

加配重明顯不適合這種戰(zhàn)斗機，戰(zhàn)斗機要求機身輕，靈活機動，而且加重機身還使速度這個技術特性惡化。

強力氧化劑雖然可以使燃料燃燒的更充分，獲得較大的推力。但是戰(zhàn)斗機上使用的是特制的高熱量航空煤油，在渦輪噴氣發(fā)動機中的燃燒是比較充分的，所以使用這個創(chuàng)新原理的作用不是很明顯。

對于：

15#動態(tài)特性

35#物理或化學參數(shù)變化

綜合考慮這兩條創(chuàng)新原理,通過對機翼的改造,使其成為活動部件，并且在飛行的時候有效地控制機翼的形態(tài)，使之能夠在比較大的范圍內(nèi)改變”后掠角”，獲得從平直翼到三角翼的優(yōu)點，來獲得從低速到高速不同的飛行狀態(tài).，表現(xiàn)出很強的適應性。

F111戰(zhàn)斗機在低速度飛行(圖1)中，處在起飛階段，機翼呈平直狀，獲得較大的升力，良好的低速特性，防止長距離滑行所浪費的能量，從而有效地解決了飛機在低速度狀態(tài)下速度與能量之間的矛盾。如(圖2)所示，F(xiàn)111在云層之上高速飛行，兩翼后掠減小阻力，從而減小了能耗，延遲“激波”的產(chǎn)生，緩和飛機接近音速時的不穩(wěn)定現(xiàn)象，使飛機能夠到達更高的速度。適應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，以適應當前的飛行速度。結(jié)論：

綜合考慮所有的創(chuàng)新原理，最終的解決方案為：

應用15#動態(tài)特性

應用35#物理或化學參數(shù)變化

改變飛機的飛行形態(tài)，既在不同的飛行狀態(tài)下得到不同的氣動外形，可以在很大程度上節(jié)約不必要的能耗。根據(jù)35#創(chuàng)新原理結(jié)合15#創(chuàng)新原理給出的啟示，將飛機的機翼做成活動部件，這是飛機設計界一個大膽的創(chuàng)新，一舉突破了傳統(tǒng)的固有的固定翼設計理念，在飛行器設計領域開辟了一塊新天地。反觀傳統(tǒng)的妥協(xié)設計只能在速度與能耗之間做取舍性質(zhì)的設計。而采用TRIZ技術矛盾矩陣給出的創(chuàng)新原理那么防止了傳統(tǒng)的妥協(xié)設計，從一個全新的角度很好地解決了速度/能量這對技術矛盾。TRIZ理論與妥協(xié)設計的不同之處在這里得到了表達。這是TRIZ理論應用的一個經(jīng)典的例證。

最終結(jié)果：

解決方向：設計者找到了滿意的設計思路：能夠得到平直翼和三角翼的優(yōu)良的飛行特性，極大地節(jié)約了在起飛/降落過程〔平直翼在低速飛行中可得到較大的升力，從而縮短跑道的長度，借此節(jié)約了能量〕和高速飛行過程〔三角翼在高速飛行中可以輕輕易地突破音障，減輕機翼的受力提高飛機在高速飛行時的強度，最終的結(jié)果是降低了能量的消耗〕

解決方案：根據(jù)上述分析的結(jié)果，設計者設計成功了這種在當時是新型的F111變后掠翼戰(zhàn)斗/轟炸機，這是世界是第一架應用變后掠翼設計思想的飛機，開創(chuàng)了新一代超音速戰(zhàn)斗機的