飛機減阻技術的現狀與發展

陳 耿

（航空工業西飛，陜西 西安 710089）

飛機是人類歷史上最偉大的發明之一，自1903-12-17萊特兄弟的“飛行者1 號”首飛直至今天，飛機的氣動外形發生了巨大的變化，這一切都是為了使飛機在特定飛行速度下具有較高的飛行性能，復雜、不規則的外形會給飛機帶來極大的阻力，飛機氣動外形的優化改進一直朝著減阻的方向發展。

現代民用大中型客機均為高亞音速，阻力主要有摩擦阻力、壓差阻力、誘導阻力、干擾阻力，而摩擦阻力和誘導阻力占總阻力的絕大部分，目前，減阻技術研究的重點都是致力于減小這兩種阻力；民用客機最重要的是燃油經濟性，這樣才能給航空公司帶來盈利，阻力降低1%也能給民用客機帶來相當可觀的經濟效益，因此，減阻技術一直都是整個航空界研究的焦點。

本文分析研究了截至目前航空界主要的減阻技術及其原理、應用情況，還有正在研究的減阻新技術及應用前景，為低阻氣動布局的設計提供了參考。

1 減阻技術的現狀

隨著航空飛行器的不斷更新換代，氣動外形的優化改進，已經有許多成熟的減阻技術已經在飛機上應用。

1.1 超臨界翼型

早期的民航客機基本采用普通翼型，導致飛機在高亞音速巡航時，機翼上表面出現超音速氣流，并以強激波結束，產生很大的阻力，限制了客機的飛行速度；在20世紀60年代后期，RICHARD W 和DIETRICH K 提出了超臨界翼型，翼型上表面變得更為平坦，機翼前緣鈍圓，下表面呈弧形并向下彎曲，超臨界翼型的氣流在前緣會更快的到達一個局部馬赫數（未產生激波），并在上表面平坦區域保持此速度，在后緣產生一個弱激波，相比普通翼型的強激波，阻力明顯降低，如圖1所示。

超臨界翼型早已在客機、運輸機上得到廣泛應用，極大提高了高亞音速飛機的巡航馬赫數。

1.2 溝槽/肋條減阻

20世紀70年代，NASA 研究中心發現順氣流微小溝槽的表面可以減小物體表面約6%的摩擦阻力，改變了研究人員對于光滑表面摩擦阻力小的傳統認識，溝槽/肋條減阻成為了湍流減阻技術的研究焦點，如圖2所示。

圖2 溝槽/肋條示意圖

北京航空航天大學的王晉軍等人證實了溝槽面可以使邊界層轉捩推遲，在湍流邊界層區域具有減阻特性。CHOI等人進行的試驗結果顯示溝槽面對層流邊界層向湍流邊界層轉捩有明顯的延遲作用。

目前，溝槽/肋條減阻均已在工程實踐中得到了應用，空客在A320 飛機的表面貼上溝槽薄膜，面積達到浸潤面積的70%，節約燃料1%～2%；德國最早在飛機機身上使用溝槽，節約燃料可達8%；西飛公司在運七風洞模型上順氣流粘貼肋條薄膜，通過風洞試驗驗證，可減小阻力5%～8%； 溝槽/肋條的缺點是尺寸較小，直接加工難度大，目前基本使用薄膜實現，而薄膜容易破損，溝槽易被灰塵覆蓋；隨著加工工藝及材料的發展，溝槽/肋條減阻有非常廣闊的應用空間。

1.3 渦流發生器

渦流發生器主要用于抑制氣流分離以減小阻力，流體的粘性阻滯使近壁面氣流沿流動方向不斷減速，在一定逆壓梯度作用下，邊界層外部氣流仍保持原來方向，但近壁面氣流則逐漸減速直至為零，甚至倒流，使得氣流發生分離，阻力急劇增大，簡單來說，就是粘性作用導致近壁面氣流的能量不斷耗散，最終不能保持原來的流動。

到1947年BMYNES 和TAYLER 提出了渦流發生器（Vortex Generator，簡稱VG）的概念，就是垂直安裝于飛機表面的小展弦比薄片，通過控制VG 的安裝參數，在其后卷起不同方向的渦，給出下游的邊界層注入新的能量，提高目標區域的抗逆壓梯度能力，甚至可以消除氣流分離，目前已得到廣泛應用。

目前，VG 已被應用于民用客機（A320、波音737）、軍用運輸機（C-17）的發動機短艙，如圖3所示，抑制低速大迎角時短艙上卷起的渦流，提升飛機失速迎角；空客在A340飛機襟翼前緣安裝VG，使得著陸狀態可用偏角增加3°，升力增加2.2%；美國空軍在C-130、C-17 上翹后機身安裝VG，減輕上翹后機身邊界層的流動分離，阻力減小6%和1.6%。

圖3 VG 在飛機上的應用

1.4 翼梢小翼

當機翼產生升力時，下翼面的壓強高于上翼面的壓強，下翼面氣流就會沿展向從翼尖向上翼面流動，同時具有向后流動的速度，這樣就會在翼尖處形成漩渦，漩渦的氣流在旋轉的同時也向后流動，兩個翼尖漩渦的氣流方向相反，稱之為翼尖渦，隨之而產生的附加到機翼上的阻力為誘導阻力，約占飛機總阻力的40%；翼梢小翼可以阻礙下翼面氣流向上翼面流動，減弱翼尖渦強度，減小誘導阻力。

1988年，波音747-400 進行了翼梢小翼的飛行測試，減阻效果可達3.5%，波音737 也使用了翼梢小翼，如圖4所示。與此同時，空客也開始采用翼梢小翼，并應用在A320，如圖5所示。

后續逐漸發展產生鯊翅小翼、雙羽小翼、雙彎刀小翼等，翼梢小翼的應用，極大提高了民航客機的燃油經濟性。2015年，美國就曾研究給老的運輸機隊進行減阻，為此開展了C-130J 的減阻翼梢小翼飛行試驗。

圖4 波音737 的雙羽小翼

圖5 A320 早期的上下小翼

2 減阻技術的發展

隨著材料、制造、工藝的發展，減阻不再僅依靠氣動外形的優化，新材料、新工藝讓減阻研究邁上了新臺階。

2.1 層流機翼

邊界層可分為層流和湍流，由于目前飛機表面制造光潔度降低，層流較早的轉捩為湍流，而在相同雷諾數下，層流的摩擦阻力遠小于湍流，因此，盡可能保持測量流動可以極大減小摩擦阻力。

由于層流巨大的減阻效果，自20世紀30年代就開始研究層流翼型，主要有NACA 系列、FX 系列、NPU 系列層流翼型。20世紀80年代，NASA 在波音757 上使用層流翼套，取得了較好的試驗效果。2017年，空客將A340 驗證機翼尖部分換裝層流試驗段進行了飛行測試，結果表明，一副自然層流機翼阻力減小8%，燃油消耗降低5%。雖然目前層流機翼研究取得了重大突破，但其對制造公差要求非常高，機翼表明微小的臺階都會對氣流產生翼型，因此距離大量工程應用還有很長的路要走。

2.2 附面層抽吸技術（BLI）

民用客機在機身尾部安裝嵌入式的風扇，驅動風扇對機身低速附面層進行抽吸和加速，為機身低能附面層注入能量，降低阻力，即附面層抽吸技術（BLI），改技術已被越來越多的歐美航空科研機構爭相研究，是最有潛力的飛機減阻技術。由NASA 開發的客機概念方案“STARC-ABL”，如圖6所示。

圖6 NASA 開發的STARC-ABL 方案

采用目前常規的機身-機翼布局，機翼下安裝兩臺渦扇發動機作為飛機的動力，機身尾部安裝電驅動的環形風扇，由翼下發動機提供電力驅動風扇抽吸機身低能附面層，減小機身阻力，阻力減小意味著動力需求降低，相應地可以減小發動機的尺寸，抵消了后置風扇及附件的額外增加的重量。

德國包豪斯研究院的PFC 概念與STARC-ABL 基本相似，同樣在機身尾部安裝環形風扇對邊界層進行抽吸，以減小阻力，不同的是PFC 在環形風扇后部安裝有小型發動機，用于驅動BLI 風扇。

空客“鸚鵡螺”項目也采用了BLI 技術，如圖7所示。在機身尾部安裝兩臺超高涵道比渦扇發動機，為飛機提供動力的同時，也對機身低能附面層進行抽吸，減小阻力，鸚鵡螺項目主要是解決了未來超高涵道比發動機在機翼下的安裝難題，技術難點是發動機風扇在畸變流場中工作，降低了風扇效率。

圖7 空客鸚鵡螺項目方案

2.3 折疊機翼

2018年NASA 在位于加利福尼亞的阿姆斯特朗飛行研究中心進行了一系列自適應機翼展向工程的飛行試驗，飛行員能在飛行中根據多種飛行條件去調整機翼的折疊角度，以此來達到對應飛行條件下的最佳升阻狀態，由于須使用特殊材料來實現機翼的折疊，因此，該技術短期內難以大量應用。

2.4 柔性變形技術

柔性變形技術是自適應結構復雜性的柔性復合結構，采用單片、分布式無縫變形機制，滿足強度和柔性需求，這些結構能夠根據不同的飛行速度、高度、重量進行自適應的偏轉和扭轉以最小化巡航配平阻力、燃油消耗，減輕載荷等，柔性變形相比折疊機翼更為復雜，主要是優化飛行時的機翼彎度，而折疊機翼僅根據飛行條件改變翼尖部分的折疊角度，柔性變形結構未來有望和已大量應用的翼梢小翼一樣，成為改善氣動性能的有效措施。

2014年，NASA 在灣流GIII 試驗機上進行了柔性后緣襟翼的飛行試驗，驗證了該結構的變形和承載能力，柔性系統公司預計該技術能夠帶來2%～12%的減阻效果。

3 總結

本文總結分析了飛機減阻技術的現狀與發展，簡單分析了各減阻技術的原理及工程應用情況。超臨界翼型、渦流發生器、翼梢小翼現已大量應用于各種軍民用飛機，溝槽/肋條尚未大量應用于飛行器，但在其他行業（輸油管道）取得顯著成效。得益于先進材料、工藝水平的研制及應用，未來的減阻技術逐漸朝著氣動與材料相結合的方向發展，附面層抽吸及柔性變形等新技術的研究和應用，給未來飛機氣動布局設計帶來了無限可能。本文為低阻氣動布局的設計提供了參考。