高升力與低能耗可兼得

任嘉

以往，航空界認為在提高飛機飛行性能的同時，還要降低能耗的想法是不現(xiàn)實的，即“魚和熊掌，二者不可兼得”。事實上，現(xiàn)在美國國家航空航天局（NASA）經(jīng)過其研究成果證明：“二者可以兼得”。

解決這個問題之道是如何設(shè)計出一種新型機翼。這種機翼要求能夠在起飛和著陸時提供高升力，并且仍然保持良好的高空飛行性能，實現(xiàn)被稱為“層流”的概念，也就是使機翼周圍的氣流絕對平穩(wěn)。

節(jié)能減排目標

實現(xiàn)這一目標將能夠使飛機在整個飛行過程都能夠表現(xiàn)出良好的性能，反過來，也能夠大大降低燃料消耗量，降低運營成本，減少發(fā)動機的有害排放物。在弗吉尼亞州的蘭利研究中心，NASA固定翼項目科學家里奇·沃爾斯說：“這項重要工程是NASA全體同仁努力探索和開發(fā)的技術(shù)的一部分，如果開發(fā)成功，則能夠革命性地改善未來大型飛機的性能，降低燃料消耗量、降低噪聲、減少排放物”。

在飛機起飛和著陸過程中，由于襟翼和縫翼從機翼的前后伸展開而產(chǎn)生高升力，這使得層流極其不穩(wěn)，而襟翼和縫翼在飛機飛行期間收縮進主翼之后，在機翼的表面只留下很小的臺階和縫隙。

機翼平滑表面中存在這一些流體因素，使空氣在流過機翼周圍時產(chǎn)生一定量的紊流。這種紊流增加了飛機阻力，以致削弱了飛行效率。

在加利福尼亞州艾姆斯研究中心，NASA固定翼項目的氣動效率分項目技術(shù)主管邁克·羅杰斯說：“固定翼飛機在起飛和降落階段需要有高升力，而當前任務是解決怎樣才能使飛機在飛行期間仍然能夠保持穩(wěn)定的層流?！?/p>

試驗中的兩種方案

為了幫助解決這個難題，NASA與諾斯羅普·格魯門公司的一個小組合作，共同致力于研制一款用于層流機翼的先進高升力前緣系統(tǒng)，開發(fā)并測試兩種方案，這兩種方案可能會有助于解決這個難題，并且可能在2030年納入未來客機設(shè)計飛行中。

第一種方案是設(shè)計一款已經(jīng)證明在飛行期間具有一種規(guī)則、表面可傳導層流的機翼段，但是，通常情況下，從前緣延伸的縫翼在起飛和降落期間不會提供高升力。反之，空氣將會在機翼前緣周圍高速流動，人為地產(chǎn)生高升力。噴氣式發(fā)動機將會釋放壓縮空氣，通過靠近機翼前端的小槽口把機翼內(nèi)的壓縮空氣通過管道排放出去。

飛機的前沖力造成機翼周圍有空氣流過，當這些氣流與流過機翼的釋放空氣發(fā)生相互作用時，縫翼將會產(chǎn)生額外的升力，該過程被稱為“主動流動控制”。機翼后邊緣也利用“主動流動控制”，從而有可能不必再使用飛機上常見的機械結(jié)構(gòu)復雜的開縫襟翼，而改為使用一種更簡潔的鉸接襟翼。

蘭利研究中心負責“先進高升力前緣研究”的NASA技術(shù)總監(jiān)說：“讓我們感到振奮的是：為了獲得飛機起降所需的高升力，我們已經(jīng)利用“主動流動控制”技術(shù)取代活動縫翼和機械結(jié)構(gòu)復雜的襟翼，并且，如果利用這項方法，有可能使飛機在飛行中保持穩(wěn)定的層流。”

第二種方案是：利用在飛行中目前相對具有良好層流的相同機翼段對機翼進行測試，通過使機翼的前緣下降（事實是通過前緣發(fā)生變形），檢查機翼是否能夠完美地改變形狀。

機翼的變形前緣將能夠產(chǎn)生與縫翼相同的高升力作用。如同第一種方案所述，為進一步增強高升力的能力，第二種方案也考慮使用縫翼吹氣。在機翼前側(cè)的縫翼不使用面板，從而消除了縫翼收縮產(chǎn)生的間隙、臺階和接縫，另一方面，也確保獲得層流所需的平滑翼面。

第二種方案的機翼可以根據(jù)要求改變形狀。這與飛機處于哪個飛行階段相關(guān)，并且絕對不會損失起飛或者降落時具有的高升力優(yōu)勢，無紊流，飛行期間掠過機翼的氣流能夠使飛機節(jié)省燃料消耗。

另外，NASA與諾斯羅普·格魯門合作的這些測試項目不在于實際開發(fā)或者測試實際變形技術(shù)，而這項技術(shù)正在由航空協(xié)會的其他成員進行具體研究。

在利用諾斯羅普·格魯門的風洞進行了一系列的測試之后，這兩種方案經(jīng)過了持續(xù)13個月的評估、開發(fā)和審核，于2012年落下帷幕。

最終證明，這兩種方案都非常理想，并且超出了所有預期表現(xiàn)，滿足進行相關(guān)研究的所有目標，這意味著這項技術(shù)有非常樂觀的前景，不僅在節(jié)能、減排、節(jié)支方面的優(yōu)勢已經(jīng)不需贅言，而且在今后有著更廣闊的利用空間。

前景廣闊

羅杰斯說：“在這項技術(shù)能夠最佳程度地應用于客機或者應用小型商務噴氣式飛機之前，仍然還有大量的工作需要完成?！崩纾骸跋冗M高升力前緣研究”僅利用了一個機翼翼型的較小矩形段。為了充分評估這兩種方案，將需要建造一個全尺寸的后掠翼，并且在一個風洞中進行測試。

另外，如果采取“主動流動控制”技術(shù)，并且該技術(shù)使空氣吹掃過機翼，所有從噴氣發(fā)動機引出的所有管道和輸送系統(tǒng)或者其他輸送源需要進行開發(fā)、測試，并且驗證是否能夠安全使用。因此，為了確保具備充分的可靠性，仍有大量的管道問題需要解決，如果任何一條管道由于任何原因被堵塞，也應能夠使飛機不會由于無法產(chǎn)生足夠的升力而偏離航線，尤其是靠近地面的時候。

新技術(shù)可能會在未來某一天生產(chǎn)巨大的經(jīng)濟利益，NASA的“固定翼項目”將繼續(xù)致力于這一極其重要技術(shù)領(lǐng)域的研究工作。

可以想象得到的是：研究工作將會持續(xù)下去，在此期間將會利用一個現(xiàn)代運輸機翼的大比例風洞模型，同時融入各相關(guān)部門積極努力研究獲得的技術(shù)，以及其他“主動流動控制”概念，努力開發(fā)一種機械結(jié)構(gòu)簡單、完美的高升力系統(tǒng)。