神奇的層流機(jī)翼

張建軍

2017年9月，機(jī)翼外形奇特的空客A340“刀鋒”層流驗(yàn)證機(jī)在法國南部成功首飛，這標(biāo)志著歐洲突破性層流飛機(jī)驗(yàn)證機(jī)項(xiàng)目從理論研究邁向了實(shí)際試飛階段。

驗(yàn)證機(jī)將A340飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)外側(cè)約1/3展長的翼尖部分換成了層流試驗(yàn)段短翼。左右兩個(gè)試驗(yàn)段短翼分別采用了兩種完全不同的制造理念：右側(cè)是吉?jiǎng)P恩航宇公司的分離式前緣、上表面為金屬材料的機(jī)翼，左側(cè)是薩博公司復(fù)合材料集成前緣、上表面為復(fù)合材料的機(jī)翼。試驗(yàn)段短翼通過過渡段和整流罩與主機(jī)翼連接在一起。

在客艙內(nèi)，有一個(gè)高度復(fù)雜的專業(yè)飛行測(cè)試儀表站，包括使用紅外攝像機(jī)監(jiān)測(cè)層流臨界點(diǎn)，測(cè)量聲波對(duì)層流影響的發(fā)聲器和反射系統(tǒng)，安裝于翼梢和垂尾頂部的相機(jī)及傳感器，將測(cè)量和記錄機(jī)翼的變形情況以及層流范圍。

驗(yàn)證機(jī)創(chuàng)造了航空史上將跨音速層流機(jī)翼與內(nèi)部主要結(jié)構(gòu)的第一次真正結(jié)合，被稱為“飛行實(shí)驗(yàn)室”。飛行結(jié)果表明，一副自然層流機(jī)翼將減少8%的機(jī)翼阻力，降低5%的燃油消耗。也正是由于上述原因，空中客車“刀鋒”（BLADE）層流機(jī)翼驗(yàn)證機(jī)項(xiàng)目獲得了《航空周刊》頒發(fā)的“民用航空技術(shù)桂冠獎(jiǎng)”。

層流機(jī)翼取得突破

層流是指流體微團(tuán)像井然有序的隊(duì)伍一樣，在各自的軌跡上流動(dòng)，互不混合。與層流相對(duì)應(yīng)的是湍流，湍流中流體微團(tuán)的軌跡雜亂無章，上躥下跳，激烈摻混，就像熙熙攘攘的市場(chǎng)一樣，從而產(chǎn)生較大的摩擦阻力。

對(duì)飛機(jī)機(jī)翼來說，隨著逆壓梯度的增大，層流邊界層內(nèi)的微團(tuán)受到高壓氣流的阻礙，越來越難以保持整齊的隊(duì)列，達(dá)到一定程度時(shí)就完全亂了隊(duì)形，從而轉(zhuǎn)變成湍流。在相同雷諾數(shù)條件下，層流的摩擦阻力比湍流低90%左右。

由于層流巨大的減阻效果，航空界自20世紀(jì)30年代起就開始研究層流翼型，設(shè)計(jì)出著名的NACA（美國航空航天局的前身）系列、FX（F.X.沃特曼，空氣動(dòng)力學(xué)家）系列、Eppler（愛普勒，空氣動(dòng)力學(xué)家）系列和NPU（中國西北工業(yè)大學(xué)）系列層流翼型。20世紀(jì)五六十年代，盡管由于制造工藝的原因，加工不出足夠光滑和表面波紋度足夠小的機(jī)翼表面，但模型飛機(jī)和小型飛機(jī)的試飛表明，獲得大范圍的層流是有可能的。

20世紀(jì)80年代早期，NASA通過安裝層流翼套的方式，進(jìn)行了不同后掠角的跨聲速飛行試驗(yàn)。由于沒有考慮后掠翼橫流擾動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)捩的影響，飛行試驗(yàn)得到的層流區(qū)并沒有達(dá)到預(yù)期的效果。工程技術(shù)人員總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)后，NASA在一架波音757飛機(jī)上使用改進(jìn)的層流翼套進(jìn)行試飛，獲得了較好的試驗(yàn)結(jié)果。

隨著研究的深入，針對(duì)自然層流機(jī)翼存在的缺點(diǎn)，航空界還研究了主動(dòng)層流控制和混合層流控制兩類減阻技術(shù)，以進(jìn)一步提高飛機(jī)性能。

主動(dòng)層流控制技術(shù)通過大量微孔，采用吹氣或者吸氣等裝置對(duì)機(jī)翼表面進(jìn)行流動(dòng)控制，可大幅擴(kuò)大層流區(qū)范圍，但需要從發(fā)動(dòng)機(jī)引氣或者安裝復(fù)雜的控制系統(tǒng)，付出發(fā)動(dòng)機(jī)推力損失或者結(jié)構(gòu)重量增加的代價(jià)。

混合層流控制技術(shù)將自然層流和主動(dòng)層流控制相結(jié)合，僅在翼面前緣等關(guān)鍵位置布置微孔或者微縫吹吸氣，翼面其余處仍靠有利的壓力梯度保持層流狀態(tài)。與主動(dòng)層流控制相比，引氣系統(tǒng)的復(fù)雜性大大降低，因此受到更多關(guān)注。從目前來看，混合層流控制技術(shù)將是未來機(jī)翼減阻的主要方向之一。

廣泛應(yīng)運(yùn)還有距離

盡管相關(guān)研究獲得了重大突破，但層流機(jī)翼的廣泛應(yīng)用還需要一段時(shí)間。機(jī)翼表面的微小臺(tái)階或者縫隙都會(huì)對(duì)氣流產(chǎn)生擾動(dòng)，因此對(duì)制造過程中的公差控制有嚴(yán)格要求。與非層流機(jī)翼相比，層流機(jī)翼的鉚釘頭高度要低2.5倍，臺(tái)階高度要低7倍，氣動(dòng)型面精度要高2倍，表面波紋度要小3倍。

另外，自然層流機(jī)翼的魯棒性不好。在非設(shè)計(jì)點(diǎn)，機(jī)翼層流流動(dòng)可能提前轉(zhuǎn)捩，會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)升力突然下降。冰粒、昆蟲和灰塵顆粒等有可能影響機(jī)翼的光潔度，從而導(dǎo)致層流提前轉(zhuǎn)捩為湍流。大型民用飛機(jī)采用層流機(jī)翼時(shí)，為減小橫向流動(dòng)的干擾，必須降低機(jī)翼后掠角，從而帶來增大激波阻力的不利影響。