Fastän, winglets har funnits sedan mitten av 1970-talet, det finns fortfarande en mängd olika former, storlekar, och vinklar.

Om du någonsin har tagit ett foto genom fönstret på ett kommersiellt flygplan, du har troligen ett bra skott av en winglet - den delen av vingen vid spetsen som vinklar uppåt. Den lilla förändringen i vingspetsens form gör mycket. Det minskar drag, som kan översättas till högre hastighet eller tillåta en pilot att strypa tillbaka och spara bränsle. Det hjälper också till att minska vingspetsvirvlar som kan vara problematiska för flygplan som flyger i deras spår.

Fastän, winglets har funnits sedan mitten av 1970-talet, det finns fortfarande en mängd olika former, storlekar, och vinklar. Att analysera winglets för att hitta de optimala egenskaperna för att resultera i den lägsta nettodragningen för ett flygplan var målet för University of Illinois forskare Phillip Ansell, Kai James, och doktorand Prateek Ranjan.

"Många akademiska studier om icke-plana vingdesigner idealiserar winglets installerade med en skarp 90-graders sväng vid spetsarna, även om det är många saker som kan vara fel med att ha dessa skarpa korsningar. Eftersom enskilda flygplan har en unik uppsättning begränsningar och krav, det är svårt att göra generaliseringar om hur ett flygplan ska utformas, "sade Ansell, biträdande professor vid Institutionen för rymdteknik vid College of Engineering vid University of Illinois. "Dock, när man tittar på icke-plana vingsystem, vi destillerade problemet till något mycket specifikt och kanoniskt. Vi använde en metod för multi-fidelity-optimering, börjar med mycket enkla matematiska algoritmer för att bättre förstå designutrymmet inom plus eller minus 10 procents noggrannhet, körde sedan mer avancerade simuleringar för att förstå hur winglet påverkar flödesfältet och prestanda för vingen. "

I sin forskning, laget fokuserade på en icke-linjär vingdesign, känd som Hyper Elliptic Cambered Span (HECS) vinge konfigurationer, där vingens vertikala projektion kan beskrivas matematiskt med hjälp av ekvationen för en hyper-ellips.

"Vi destillerade vinggeometrin till något mycket enkelt, "Sade Ansell." Vi uttryckte vingens icke-planaritet-hur krökt den är, hur höga vingspetsarna är, etc.-med hjälp av ekvationer för en hyper-ellips. Nu kan vi enkelt ändra värdena i ekvationen för att hitta den bäst presterande vingen samtidigt som vi byter ut skarpare eller mjukare krökning när spetsen närmar sig, liksom större eller mindre winglethöjder. "

Ansell sa att algoritmen började med ett fast lyft, ett fast projicerat spann, ett fast böjmoment på vingen, och en fast vikt, att generera en vinge som har minsta drag - och i slutändan vara mer effektiv.

"Medan andra har studerat icke-plana vingar med blandade wingletdesigner, de flesta har bara tittat på den så kallade 'osynliga' aspekten av vingdraget, ignorerar de komplexa dragkällor som införs av luftens viskositet, "Sa Ansell." Men det är bara ungefär hälften av bilden. I vår formulering, vi inkluderade dessa viskösa dragkällor eftersom det har ett betydande inflytande på vingens nettoeffektivitet. Till exempel, det är lätt att minska vingens osynliga drag genom att lägga till mycket höga vingar vid spetsarna med mycket skarpa knutpunkter. Dock, det finns en tydlig viskös dragstraff genom att göra det som minskar effektiviteten hos en sådan design i praktiken. "

"Genom att utföra en noggrann numerisk optimeringsprocedur, vi kunde systematiskt utforska utrymmet för möjliga mönster, och i slutändan få mönster som kan verka ovanliga, och att vi aldrig kunde ha förutsagt genom att förlita oss på ren intuition, "sa Kai James, även biträdande professor vid Institutionen för rymdteknik.

Ansell sa att detta integrerade optimeringsramverk kommer att hjälpa det nuvarande tillståndet för låghastighets vingeutformning, men kan också resultera i en förbättring jämfört med de nuvarande konventionella vingeutformningarna, som arbetar inom den subsoniska flygregimen.

Forskning för tidningen, "Optimal Hyper Elliptic Cambered Span -konfigurationer för minimalt drag, "genomfördes av Prateek Ranjan, Phillip Ansell, och Kai James. Det visas i Journal of Aircraft.