神奇的層流機翼

張建軍

2017年9月，機翼外形奇特的空客A340“刀鋒”層流驗證機在法國南部成功首飛，這標志著歐洲突破性層流飛機驗證機項目從理論研究邁向了實際試飛階段。

驗證機將A340飛機發動機外側約1/3展長的翼尖部分換成了層流試驗段短翼。左右兩個試驗段短翼分別采用了兩種完全不同的制造理念：右側是吉凱恩航宇公司的分離式前緣、上表面為金屬材料的機翼，左側是薩博公司復合材料集成前緣、上表面為復合材料的機翼。試驗段短翼通過過渡段和整流罩與主機翼連接在一起。

在客艙內，有一個高度復雜的專業飛行測試儀表站，包括使用紅外攝像機監測層流臨界點，測量聲波對層流影響的發聲器和反射系統，安裝于翼梢和垂尾頂部的相機及傳感器，將測量和記錄機翼的變形情況以及層流范圍。

驗證機創造了航空史上將跨音速層流機翼與內部主要結構的第一次真正結合，被稱為“飛行實驗室”。飛行結果表明，一副自然層流機翼將減少8%的機翼阻力，降低5%的燃油消耗。也正是由于上述原因，空中客車“刀鋒”（BLADE）層流機翼驗證機項目獲得了《航空周刊》頒發的“民用航空技術桂冠獎”。

層流機翼取得突破

層流是指流體微團像井然有序的隊伍一樣，在各自的軌跡上流動，互不混合。與層流相對應的是湍流，湍流中流體微團的軌跡雜亂無章，上躥下跳，激烈摻混，就像熙熙攘攘的市場一樣，從而產生較大的摩擦阻力。

對飛機機翼來說，隨著逆壓梯度的增大，層流邊界層內的微團受到高壓氣流的阻礙，越來越難以保持整齊的隊列，達到一定程度時就完全亂了隊形，從而轉變成湍流。在相同雷諾數條件下，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30年代起就開始研究層流翼型，設計出著名的NACA（美國航空航天局的前身）系列、FX（F.X.沃特曼，空氣動力學家）系列、Eppler（愛普勒，空氣動力學家）系列和NPU（中國西北工業大學）系列層流翼型。20世紀五六十年代，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翼表面，但模型飛機和小型飛機的試飛表明，獲得大范圍的層流是有可能的。

20世紀80年代早期，NASA通過安裝層流翼套的方式，進行了不同后掠角的跨聲速飛行試驗。由于沒有考慮后掠翼橫流擾動對轉捩的影響，飛行試驗得到的層流區并沒有達到預期的效果。工程技術人員總結經驗教訓后，NASA在一架波音757飛機上使用改進的層流翼套進行試飛，獲得了較好的試驗結果。

隨著研究的深入，針對自然層流機翼存在的缺點，航空界還研究了主動層流控制和混合層流控制兩類減阻技術，以進一步提高飛機性能。

主動層流控制技術通過大量微孔，采用吹氣或者吸氣等裝置對機翼表面進行流動控制，可大幅擴大層流區范圍，但需要從發動機引氣或者安裝復雜的控制系統，付出發動機推力損失或者結構重量增加的代價。

混合層流控制技術將自然層流和主動層流控制相結合，僅在翼面前緣等關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。與主動層流控制相比，引氣系統的復雜性大大降低，因此受到更多關注。從目前來看，混合層流控制技術將是未來機翼減阻的主要方向之一。

廣泛應運還有距離

盡管相關研究獲得了重大突破，但層流機翼的廣泛應用還需要一段時間。機翼表面的微小臺階或者縫隙都會對氣流產生擾動，因此對制造過程中的公差控制有嚴格要求。與非層流機翼相比，層流機翼的鉚釘頭高度要低2.5倍，臺階高度要低7倍，氣動型面精度要高2倍，表面波紋度要小3倍。

另外，自然層流機翼的魯棒性不好。在非設計點，機翼層流流動可能提前轉捩，會導致飛機升力突然下降。冰粒、昆蟲和灰塵顆粒等有可能影響機翼的光潔度，從而導致層流提前轉捩為湍流。大型民用飛機采用層流機翼時，為減小橫向流動的干擾，必須降低機翼后掠角，從而帶來增大激波阻力的不利影響。