共流吹氣技術發展與應用研究

張明昊，袁昌盛，田振東，楊濤，王登科

(西北工業大學 航空學院，西安 710072)

0 引 言

近年來，航空飛行器的應用日益廣泛，人們也對其提出越來越高的要求。歐洲航空界開展了“2050航空發展展望”等計劃[1]；美國的“新一代航空運輸系統(NextGen)計劃”中對未來民用飛機在油耗、噪聲、污染排放和起降性能等方面制定了目標[1]，我國也在民用飛機科研“十三五”規劃中對飛行器的性能提出了類似的要求。

為了應對未來航空業的需求，研究者們不僅開發了實現顯著提升現有飛行器性能的多種流動控制技術[2-4]，還對現有技術不斷進行優化和研究[5-7]。CFJ技術作為一種新興的流動控制技術，具有較強的發展潛力。

本文介紹CFJ技術的研究歷史及進展、CFJ技術的增升減阻機理以及CFJ技術的應用研究現狀，并分析這項技術在飛行器設計中的關鍵設計問題，以促進對該項技術的研究和應用。

1 環量控制技術的應用歷史及進展

環量控制技術可在增升方面顯示出優秀的性能，該項技術的工程應用源于1976年。當年西弗吉尼亞大學為了探索環量控制技術的工程應用效果，設計了采用如圖1所示的機翼截面形式的驗證機，并開展飛行試驗驗證了環量控制技術的增升效果[8]。

1985年，N.Wood等[9]利用實驗模型(如圖2所示)研究Coanda表面局部半徑、射口尺寸等參數對環量控制翼型的作用效果，他認為射流與附面層摻混可以推遲附面層分離并使駐點后移而增強環量控制效果。J.Abramson等[10]也在同一時期對來流速度、射流出口高度、射流動量系數等方面展開了研究。

圖2 Wood采用的環量控制裝置簡圖

20世紀80年代后期，G.Shrewsbury[11]首次使用RANS方法對環量控制技術進行研究，Liu Y等[12]和J.Slomski等[13]也用該種方法對環量控制技術進行研究。

隨著加工技術及控制技術的發展，環量控制技術越來越多地應用在飛行器設計方案上，例如英國在2006年試飛了使用環量控制技術和射流推力矢量技術取代傳統舵面進行飛行姿態控制的DEMON無舵面無人機，其后繼機型MAGMA也在2017年12月進行了類似的飛行測試[14]。隨著N+3 計劃的推行，NASA也開展了針對環量控制技術在民用飛機上的應用效果研究，并利用縮比模型AMELIA開展了風洞實驗研究[15]。

在上述的應用過程中，傳統環量控制技術暴露出如阻力過大、使用不靈活、整體效率不高等缺陷，對此，G.Zha等[16-23,24,25]提出性能相比傳統環量控制技術有顯著提升的CFJ技術，并對這項技術開展多角度的研究。這項技術與傳統環量控制技術的對比如表1所示。

表1 傳統環量控制技術與Coflow Jet技術的對比

CFJ技術的實現原理(如圖3所示)是后緣吸入少量質量流量在并由微型壓縮機加壓，然后在前緣與主流相切的方向上射出實現控制機翼周圍的流場的目標。

圖3 CFJ技術的實現原理

在工程應用中，入射口和出射口的絕對尺寸和相對尺寸、絕對位置和相對位置及射流的絕對速度和相對速度、基準翼型的形式等設計要素會對應用了這項技術的翼型的升力特性、阻力、力矩特性、失速特性等產生較大影響[29-30]。此外，展向分布形式[31]和使用策略[21]對應用了CFJ技術的裝置的氣動特性、噪聲特性產生的影響也不容忽略。相關研究表明這項技術若能被合理設計和使用將會顯著提升相應飛行器的性能[23]，故該項技術的發展得到DARPA、NASA、空軍科學研究辦公室(AFOSR)、陸軍研究辦公室(ARO)、CIRA等機構的支持。

2 CFJ技術的增升減阻機理

在作用機理的研究方面，G.Zha等利用DES[32]、LES[33]等數值仿真與實驗的方法[19-20]開展研究，劉沛清等[34]也對該技術的機理進行探討。

采用CFJ技術的翼型在使用狀態下通常具有比基準翼型大很多的升力系數，這類翼型的典型速度分布如圖4所示，可以看出：除了在入射點和吸入點出現尖峰外，翼型上下表面間的速度差較基準翼型顯著增大，進而產生更大的升力。

圖4 典型的CFJ翼型壓力分布圖

從流場結構的角度分析，采用CFJ技術的翼型前緣的流場特征如圖5所示[23]。

圖5 CFJ6421-SST016-SUC053-INJ009翼型在Cμ =0.35且AoA=70°時的渦量云圖

從圖5可以看出：在翼型的前緣存在4個渦層，翼型表面附近的是邊界層渦片，第二層是由速度相對較高的CFJ射流在入射口下游產生的逆時針的CFJ射流渦層，該渦流層會引起繞前緣附近的氣流轉向形成第三層的順時針的誘導渦層；第四層的過渡渦層則會將速度傳遞到較慢的外層中。CFJ射流為四個渦層提供抗逆壓梯度的能量，上述四個渦層中順時針旋渦可增加環量并產生更強的增升效果。

CFJ技術較傳統環量技術可以顯著降低阻力甚至產生推力[23]，該種特性可以用下述兩種機理來分析：從壓力分布的角度，較大的環量會產生較大的前緣吸力，在一定的條件下前緣的負壓區可以產生向前的吸力；從流場特征的角度，射流和主流之間的湍流混合和夾帶形成的混合射流可以填補尾跡并減少部分速度損失，當速度損失逆轉時就會產生推力。某CFJ翼型的阻力特性隨攻角變化的特性如圖6所示[25]，可見在條件下這類翼型可以產生較為明顯的負阻力現象。

圖6 應用CFJ技術的翼型在阻力系數隨攻角變化

在三維層面上，CFJ技術的作用機理中射流和主流之間的湍流擴散和混合增強能量的橫向輸送效應則較二維層面更加突出[29]，相關研究表明(如圖7所示[30])這些效應會對裝置的三維氣動特性和能量利用效率產生較大影響。

圖7 采用CFJ技術的機翼截面上湍流的擴散和混合過程

此外，該技術因抑制分離能力較為突出，可以在攻角為70°且動量系數Cμ為0.35時可產生大小為10.6的升力系數[23]，該結果突破了式(1)給出的最大理論升力系數的限制。

(1)

這種情況下，CFJ翼型后緣周圍的流動不再滿足Kutta條件。CFJ6421-SST016-SUC053-INJ009翼型在Cμ=0.35且AoA=70°時在高攻角狀態下的速度云圖如圖8所示，可以看出：翼型周圍的高環量使駐點遠離翼型表面并在后緣形成延伸的“虛擬體”以支撐具有超升力系數的翼型，可見CLmax是強制Kutta條件的結果[35]，不違反由Navier-Stokes方程控制的物理定律。

圖8 CFJ6421-SST016-SUC053-INJ009翼型在Cμ=0.35且AoA=70°時在高攻角狀態下的速度云圖

相關研究表明該類翼型的升力系數主要取決于翼型周圍流體能夠從射流中吸收多少能量來克服逆壓梯度以保持流動附著而不僅與翼型的幾何形狀有關[23]。可見對CFJ技術的研究可以將流體力學擴展到新的領域。

綜上所述，CFJ技術的獨特機理能顯著改善基準翼型的氣動效率特性、失速裕度等方面的性能，此外該技術的運行原理可以保證整個系統具有較高的能量利用效率和使用的靈活性。翼型是飛機、風力渦輪機、螺旋槳、泵等裝置中的基本元件，因此，該流動控制技術的研究成果可以擴展至眾多系統中。

雖然現有大多數CFJ翼型實驗中使用高壓氣罐與真空罐來實現吹氣和吸氣，但相關工程實踐表明通過合理地設計可以實現將安裝在實驗裝置中的獨立壓差源作為驅動器[24,36-37]。

3 CFJ技術的應用研究現狀

環量控制技術的研究通常需要與工程應用案例相結合。本文根據具體的使用策略與平臺的任務特性選取三個典型的研究對象進行分析。

3.1 電動通用航空飛行器的機翼

電動通用航空飛行器主要挑戰在于現有電池能量密度限制該類飛行器的性能[21]。

Coflow Jet公司針對上述問題對采用CFJ技術的4個座電動通用航空飛行器(如圖9所示)開展深入研究[21]并對其他可采用CFJ技術的飛行器進行一定程度的探索，CFJ技術的引入使得機翼的整體氣動效率更高，進而使飛機具有的更大的航程和更好的環保特性，同時CFJ技術提供的高升力系數使這種飛行器具有更好的飛機適應性。

圖9 采用CFJ技術的通用航空飛行器電動飛機

上述飛行在機翼中需要布置分布式流動控制系統[36,38]，一種可行的裝置形式如圖10所示。

圖10 機翼裝置布置

該研究對象主要討論CFJ技術其在低速飛行狀態下的性能，并可結合飛行器設計方案討論該項技術在機翼上的應用效果。

3.2 平流層飛艇螺旋槳

臨近空間飛艇的飛行高度和速度變化會對螺旋槳的工作特性產生不利影響。傳統定槳距螺旋槳在設計上的局限導致在整個飛行過程中的綜合性能較差。針對上述問題，在螺旋槳上應用CFJ技術并根據當前飛行狀態控制螺旋槳的流場分布可以提高螺旋槳效率[24,31,39]。實驗裝置如圖11所示[40]。

圖11 CFJ技術在螺旋槳上的應用

該研究對象主要討論CFJ技術在臨近空間條件等特殊飛行狀態下的應用效果。

3.3 短距離起降亞音速客機的中央體

為了應對CESTOL標準，QUEIA亞音速翼身融合客機方案在機身和內翼段應用了CFJ技術，CFJ技術的布置方式如圖12所示，其中氣流在機身后部的發動機處被吸入，并通過引流裝置和壓縮泵將氣流從機身前緣射出。相關研究表明：上述過程中有近80%的射流能量被用于產生推力，而這一特性可以減小發動機的負擔[41]。在使用策略上，與僅在起降階段使用吹氣襟翼等動力增升裝置的飛行器相比，QUEIA飛行器巡航過程都會利用CFJ技術提升飛行性能。

圖12 CFJ技術在大型客機上的應用

QUEIA飛行器將CFJ技術與翼身融合布局客機相結合，提升飛行器的巡航效率、起降性能和環保特性。參考文獻[42]中將其與SAX-40、B787-800等飛行器進行比較，結果表明QUEIA飛行器相似飛行器在節能、適應性和噪聲特性上優勢明顯。

該研究對象主要討論CFJ技術在高亞音速狀態下的使用效果及使用策略。

4 CFJ技術在飛行器設計中的關鍵設計問題

結合前文對背景、機理、意義、應用案例的討論，可見CFJ技術對飛行器的設計及應用的影響還需展開深入研究。

4.1 飛行器綜合設計技術

目前應用CFJ技術的飛行器方案的設計策略通常采用“基準元件等效替換[21]”和“將特定參數和狀態下將應用CFJ技術的二維截面特性視為翼型[21]”等方式。基準元件等效替換法是指將采用CFJ技術的機翼或翼端的數據替換基準飛行器的相應部分來探討CFJ技術在飛行器上的應用效果；“將特定參數和狀態下將應用CFJ技術的二維截面特性視為翼型”是指將CFJ技術在二維實驗或仿真數據進行處理后作為一種翼型開展飛行器設計。上述兩種方法忽略CFJ技術與飛行器上其他氣動裝置間的相互影響和可能給飛行器帶來的非氣動影響，因此僅能定性地討論CFJ技術在特定飛行狀態的氣動性能，不適合作為一種完善的設計方式。

要使CFJ技術在飛行器上充分發揮潛力，需要將推進系統、升力系統、結構設計、控制系統設計等方面進行協同設計與優化，可見CFJ技術更突出功能的耦合和一體化設計來提升飛行器的性能。

4.2 設計分析方法

CFJ技術具有較強的可設計性，其升阻特性、力矩特性、能量利用效率等方面的影響受入射口的尺寸與位置、吸入口的尺寸與位置等參數影響較大，因此可以基于同一基準翼型根據不同需求設計多種不同特性的翼型。但應用了CFJ技術的翼型與傳統翼型有很大區別且流動現象較為復雜，這對設計和仿真技術提出較高的要求。

現有CFJ技術研究主要集中在基于RANS方法研究這項技術的氣動特性，但為了更好推進這項技術的工程化進程應考慮使用新的分析手段與優化策略。

4.3 元件優化布置技術

CFJ技術在工程上的應用方式主要分為以下兩個趨勢：集中化[29]和分布化[42]。“集中化”是指利用布置在飛行器中的一個或一組元件作為實現CFJ技術所需要的壓差源并利用導流裝置將其轉移到所需的位置上，其總體思路與使用一個發動機實現推進和供氣的MAGMA無人機相似。“分布化”是指將實現CFJ技術所需要的壓差源直接布置需要應用該技術的地方，其總體思路采用分布電力推進技術的X-57相似。

不同的布置方式具有各自的特性并對應于不同的使用條件，集中化布置的可以降低小型的無人機的系統的復雜程度；載人飛行器通常采用分布化布置來提升整機的安全性。布置方式的優化設計是CFJ技術實用化的關鍵之一。

4.4 飛行控制設計技術

傳統的環量控制技術參與控制的主要參數為射流動量系數，傳統舵面的主要控制參數為舵偏角，而應用CFJ技術的翼型產生的升阻系數和力矩系數與飛行狀態、射流動量系數等多個參數有關。

在已采用CFJ技術的翼型后緣布置傳統舵面的控制方式的效果和使用策略仍處于探索階段[43]，但為了實現不同飛行狀態下的可控性需要綜合調整可動態調整的即時翼段的安裝角、射流動量系數等參數。

5 結束語

本文通過綜合國內外相關研究，分析了CFJ技術的產生背景，并從二維和三維的角度分析了CFJ技術的增升減阻機理，論述了CFJ技術的應用研究現狀，并選取電動通用航空飛行器的機翼、平流層飛艇螺旋槳、短距離起降亞音速客機的中央體三個典型應用案例探討CFJ技術在飛行器設計上應用優勢及應用策略，并進一步總結出了CFJ技術在飛行器設計中的飛行器綜合設計技術、設計分析及優化方法、元件優化布置技術和飛行控制設計技術四項影響CFJ技術在飛行器設計中應用效果的關鍵設計問題，希望能夠促進CFJ技術的工程化和實用化。