層流機(jī)翼-空氣動(dòng)力學(xué)界的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

層流機(jī)翼——空氣動(dòng)力學(xué)界的機(jī)遇與挑戰(zhàn)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，標(biāo)志著歐洲突破性層流飛機(jī)驗(yàn)證機(jī)項(xiàng)目，從理論計(jì)算邁向?qū)嶋H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，短翼前緣后掠角相比原機(jī)翼減小了20度；并且左右兩個(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恩航宇公司分離式前緣和上表面為金屬材料的機(jī)翼，左側(cè)是薩博公司復(fù)合材料集成前緣和上表面機(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)量聲學(xué)對(duì)層流影響的發(fā)聲器和創(chuàng)新性的反射系統(tǒng)，安裝于翼梢和垂尾頂部的相機(jī)和傳感器將測(cè)量和記錄機(jī)翼的變形以及層流范圍。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)第一次真正的結(jié)合，被稱為“飛行實(shí)驗(yàn)室”。飛行結(jié)果預(yù)期能證明一副自然層流機(jī)翼將減少8%的機(jī)翼阻力，降低5%的燃油消耗。因此，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》2018年度“民用航空技術(shù)桂冠獎(jiǎng)”。層流機(jī)翼探索史層流是指流體微團(tuán)就像井然有序的隊(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)的就是湍流，湍流中流體微團(tuán)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)就完全沒有了隊(duì)形，就轉(zhuǎn)變成為湍流。在相同雷諾數(shù)條件下，層流摩擦阻力比湍流摩擦阻力低90%左右。由于層流巨大的減阻效果，航空界自上世紀(jì)30年代起就開始了層流翼型的研究，設(shè)計(jì)出了著名的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。上世紀(jì)50、60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，表明取得大范圍的層流是有可能的。上世紀(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音速飛行試驗(yàn)。但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?？偨Y(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)后，80年代后期，美國NASA在波音757飛機(jī)右側(cè)機(jī)翼和德國在VFW-614飛機(jī)右側(cè)機(jī)翼上使用改進(jìn)的層流翼套試飛，取得了馬赫數(shù)、雷諾數(shù)、后掠角對(duì)弦向擾動(dòng)和橫流轉(zhuǎn)捩影響的一系列飛行數(shù)據(jù)。21世紀(jì)初，自然層流機(jī)翼應(yīng)用迎來了鼓舞人心的成果。自然層流（NLF）機(jī)翼已經(jīng)在本田噴氣公務(wù)機(jī)、“全球鷹”無人機(jī)以及滑翔機(jī)等一些中小型飛行器上成功使用。自然層流機(jī)翼的缺點(diǎn)盡管當(dāng)前理論研究和應(yīng)用取得了長遠(yuǎn)的進(jìn)步，但離自然層流機(jī)翼技術(shù)的廣泛應(yīng)用還有相當(dāng)大的距離。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)制造過程中公差控制有嚴(yán)格的要求：與非層流機(jī)翼相比，鉚釘頭的高度要低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；冰粒和昆蟲、灰塵顆粒等將破壞機(jī)翼的光潔度，從而引起層流提前轉(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代價(jià)。主動(dòng)層流控制技術(shù)為了克服自然層流機(jī)翼的上述缺點(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)。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)引氣或者其它復(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)重量代價(jià)。混合層流控制技術(shù)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)