飛機(jī)增升裝置的發(fā)展和展望

孟令晗

摘 要：增升裝置保障了飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)、安全飛行，是現(xiàn)代飛機(jī)的重要組成部分。飛機(jī)在著陸或機(jī)動(dòng)飛行時(shí)，使用增升裝置可以改善飛機(jī)的起降和機(jī)動(dòng)飛行性能。文章從機(jī)翼升力產(chǎn)生原理出發(fā)，引出了增升裝置的重要性，介紹了襟縫翼、吹氣增升等不同增升裝置的基本原理和它們的共性，探討了新技術(shù)增升裝置的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。增升裝置對(duì)于飛機(jī)設(shè)計(jì)制造具有重要的意義，是研發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

關(guān)鍵詞：機(jī)翼；增升裝置；升力；流動(dòng)控制

中圖分類(lèi)號(hào)：V211.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）02-0062-02

隨著科技技術(shù)的發(fā)展，飛機(jī)越來(lái)越快，也越來(lái)越多。為了安全、高效地在有限的機(jī)場(chǎng)跑道進(jìn)行起降，飛機(jī)上普遍安裝了增升裝置。增升裝置已經(jīng)成為現(xiàn)代飛機(jī)的重要組成部分，不同飛機(jī)上獨(dú)特的增升裝置更是成為了特征。本文嘗試介紹增升裝置的原理和發(fā)展，并嘗試對(duì)其未來(lái)發(fā)展進(jìn)行展望。

1 機(jī)翼產(chǎn)生升力的原理

在100多年前，萊特兄弟發(fā)明了依靠自身動(dòng)力飛行的飛機(jī)。固定翼飛機(jī)飛行的過(guò)程中，氣流通過(guò)機(jī)翼的上下表面，在擾動(dòng)下產(chǎn)生壓力差，進(jìn)而提供托舉飛機(jī)的升力。之后，我們分析翼型，即機(jī)翼的剖面。根據(jù)開(kāi)爾文環(huán)量定理，升力源自于翼型周?chē)沫h(huán)量分布。如果將翼型抽象成無(wú)厚度的曲線，在曲線上布置渦線，可以得到這個(gè)翼型的升力性能（對(duì)于阻力的計(jì)算就更復(fù)雜一些，在此不涉獵）。（見(jiàn)圖1）

為了便于討論，我們將各種數(shù)據(jù)參照來(lái)流進(jìn)行無(wú)量綱處理，以避免尺寸帶來(lái)的影響，如升力系數(shù)定義如下：

對(duì)于一個(gè)亞音速不可壓情況下的薄翼型，我們有，

即

所以在臨界迎角前，機(jī)翼的升力系數(shù)變化率與迎角變化率的比值為。機(jī)翼的彎曲程度將改變機(jī)翼的零升迎角和力矩，提供額外的升力（和阻力）。

2 為什么需要增升裝置

早期飛機(jī)多限于低速飛行，故沒(méi)有裝備增升裝置的必要性。在一戰(zhàn)時(shí)期，航空業(yè)迅速發(fā)展，飛機(jī)漸漸的成為一種主要的運(yùn)輸工具。發(fā)動(dòng)機(jī)和材料工藝的進(jìn)化，使得飛機(jī)的速度大大提升。但是，更高的速度勢(shì)必增加飛機(jī)的起降距離。在有限的跑道上如何安全的起降飛機(jī)成為難題。

降低飛機(jī)速度后，增加飛機(jī)的迎角可以彌補(bǔ)升力損失。然而，機(jī)翼有“失速迎角”，越過(guò)這一點(diǎn)，會(huì)發(fā)生流動(dòng)分離，發(fā)生失速現(xiàn)象，造成飛機(jī)墜毀。（見(jiàn)圖2）

一個(gè)有效的解決方式是，在巡航時(shí)采用正常構(gòu)型，在起降時(shí)采用一定手段增加一定速度下機(jī)翼所能提供的最大升力。現(xiàn)階段主要的增升方式有襟縫翼增升以及吹氣增升。

3 各種形式的增升裝置

3.1 襟縫翼及其不同形式

目前民航機(jī)上最為主流的增升方式是后緣襟翼和前緣襟翼，主要原理是增加機(jī)翼彎度或/與增加機(jī)翼面積。（見(jiàn)圖3）

3.1.1 簡(jiǎn)單襟翼

與1916年被發(fā)明，通過(guò)改變機(jī)翼彎度來(lái)實(shí)現(xiàn)增升。波音787也采用了簡(jiǎn)單襟翼。

3.1.2 分離襟翼

DC-3等飛機(jī)采用，增加升力顯著，但是也會(huì)大幅度提高阻力。

3.1.3 開(kāi)縫襟翼

在襟翼與機(jī)翼之間有開(kāi)縫，低壓氣流通過(guò)開(kāi)縫處，使得氣流更好的附著在襟翼上，推遲失速的發(fā)生。

3.1.4 富勒襟翼

襟翼后退并向下彎折，同時(shí)增大機(jī)翼的彎度和面積，大多配合開(kāi)縫襟翼共同應(yīng)用。波音747是一個(gè)著名的實(shí)例。

3.1.5 克魯格襟翼

安裝與機(jī)翼前緣。改善了大攻角情況下機(jī)翼前緣的氣流附著。

3.2 吹氣增升

特殊的應(yīng)用環(huán)境催生了對(duì)于短距起降飛機(jī)的需求。著名的鷂式戰(zhàn)斗機(jī)通過(guò)旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)噴口的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)短距/垂直起飛以及垂直降落，而V-22魚(yú)鷹直升機(jī)通過(guò)一對(duì)可以調(diào)整方向的螺旋槳實(shí)現(xiàn)垂直起降與水平高速飛行直接的轉(zhuǎn)換。一味的增大機(jī)翼面積是行不通的，部分機(jī)型通過(guò)吹氣改變翼型環(huán)量分布的方式來(lái)增升。

直接引用環(huán)量定理的結(jié)論

即機(jī)翼升力正比于來(lái)流速度以及周?chē)h(huán)量。

波音YC-14將引擎的噴氣近距離作用于機(jī)翼上表面，實(shí)現(xiàn)了大幅度增升，降低了飛機(jī)進(jìn)離場(chǎng)速度來(lái)實(shí)現(xiàn)短距起降。然而，發(fā)動(dòng)機(jī)噴氣的高溫對(duì)機(jī)翼材料強(qiáng)度以及壽命造成了嚴(yán)重的影響。它的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手YC-15采用了“外吹氣襟翼技術(shù)”，即通過(guò)將發(fā)動(dòng)機(jī)噴流吹向雙縫襟翼來(lái)增升。最后，YC-15勝出，發(fā)展成了著名的C-17運(yùn)輸機(jī)。

但是上吹氣并沒(méi)有絕跡，現(xiàn)代渦槳飛機(jī)或多或少都有采用這樣的技術(shù)，機(jī)翼的部分升力是由螺旋槳產(chǎn)生的氣流所提供的。通過(guò)吹氣增升，渦槳飛機(jī)的油耗更低，更經(jīng)濟(jì)。

3.3 其余增升方式

除了傳統(tǒng)意義上的襟翼和吹氣增升方式以外，還有其他的通過(guò)改變流場(chǎng)的增升方式。

3.3.1 三角翼構(gòu)型

實(shí)際上是一種從根本上取消增升裝置的“增升”方式。以協(xié)和式客機(jī)為例，為了超音速飛行采用了獨(dú)特的三角翼布局，帶來(lái)了這個(gè)額外的好處。三角翼較之普通的后掠翼，在大攻角飛行時(shí)由于前緣產(chǎn)生的渦流，不易發(fā)生失速，故并不需要襟翼等裝置。

3.3.2 通過(guò)渦流發(fā)生器推遲流動(dòng)分離

與三角翼的原理相似，通過(guò)渦流推遲失速發(fā)生。殲-10的鴨翼既是操縱面，也提供了增升的效果。在F/A-18上，邊條用同樣的原理改善了飛機(jī)的低速性能。

3.3.3 自激勵(lì)運(yùn)動(dòng)機(jī)翼

是一種仿生學(xué)襟翼，模仿鳥(niǎo)類(lèi)飛行時(shí)，翅膀局部出現(xiàn)分離流動(dòng)時(shí)作自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象所設(shè)計(jì)。自激勵(lì)襟翼不需要?jiǎng)恿︱?qū)動(dòng)，在流動(dòng)發(fā)生分離時(shí)，受誘導(dǎo)自動(dòng)運(yùn)動(dòng)，起到了增升的作用。

3.3.4 等離子體技術(shù)

運(yùn)用DBD（介質(zhì)等離子體放電）等技術(shù)進(jìn)行主動(dòng)流動(dòng)控制，改變機(jī)翼表面流場(chǎng)的分布，達(dá)到增升的作用。

4 結(jié)語(yǔ)和未來(lái)展望

在最新的A350XWB中，應(yīng)用了機(jī)翼主動(dòng)控制技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制機(jī)翼的襟翼和副翼，來(lái)達(dá)到最有效率的氣動(dòng)構(gòu)型。在未來(lái)，增升裝置會(huì)向著主動(dòng)化、可控化的方向發(fā)展。結(jié)合更新的自動(dòng)控制技術(shù)和算法，以及更多的主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)，除了產(chǎn)生更多升力，襟翼等增升裝置工作時(shí)還會(huì)產(chǎn)生額外的噪音。噪音不僅影響飛機(jī)的乘坐感受，嚴(yán)重時(shí)的共振甚至?xí)斐深~外的結(jié)構(gòu)載荷。增升裝置的噪音預(yù)測(cè)和減阻優(yōu)化是現(xiàn)今飛機(jī)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)之一。除此以外，如何防止增升裝置失效以及增升裝置失效后的備份措施，也一直備受關(guān)注。

飛機(jī)增升裝置的運(yùn)作與飛機(jī)的升力產(chǎn)生原理息息相關(guān)，更是保證現(xiàn)代飛機(jī)安全飛行不可或缺的一部分。增升裝置的原理無(wú)外乎于增加機(jī)翼面積或者機(jī)翼周邊環(huán)量。增升裝置的研發(fā)，是一個(gè)國(guó)家航空技術(shù)實(shí)力的重要體現(xiàn)，也是大客等發(fā)展的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Anderson Jr J D. Fundamentals of aerodynamics[M].Tata McGraw-Hill Education， 2010.

[2]周濤，李亞林，陳迎春.增升裝置中的流動(dòng)控制技術(shù)[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，48（2）：214-221.

[3]O.Smith A M. High-lift aerodynamics[J]. Journal of Aircraft，1975，12（6）： 501-530.