基于層流機翼的增升裝置設計研究進展

李云鵬，韓永志

（航空工業第一飛機設計研究院結構設計研究所，西安710089）

0 引 言

新型飛機的設計是未來航空可持續發展的重要領域，為減少航空器對自然環境和城市環境的影響，必須使未來的飛機更加高效，以減少燃料消耗、降低碳排放，從而實現綠色飛行的目標。設計能滿足更高需求的下一代機翼是新型飛機研制的關鍵因素，相比目前的湍流設計狀態，層流機翼能夠有效地降低飛行阻力，從而提高燃油效率，在有限的燃油條件下提供更遠的航程，同時降低環境污染。作為重要的功能翼面，增升裝置是飛行安全和載重能力的保障，但同時也是機體噪聲的一個重要來源。如何將層流機翼設計與增升裝置優化有機結合是未來機翼設計的一個重要研究方向，兼具科研價值和顯著的經濟預期。

普朗特的邊界層理論在飛機設計領域產生了重要影響，層流技術被認為是實現翼面減阻的有效手段，通過研究人員數十年來的不懈努力，推動了層流技術的發展和應用。從被動的機翼形狀適應發展到主動的流動控制，實現了從自然層流到混合層流的技術延伸，推動了分段式偏轉向整體化變形的過渡。從層流技術應用的機翼部位來看，主要集中在機翼前緣和后緣結構，也就是增升裝置的所處區域。增升裝置設計趨向于輕質高效，由局部剛性運動發展到柔性自適應變形，研究領域呈現多學科特征。

本文梳理綠色航空的發展需求，總結增升裝置與層流機翼的技術特點，并結合層流機翼的發展需要，介紹增升裝置的研究趨勢，綜述增升裝置改型措施和設計關鍵點，展望未來技術發展方向。

1 需 求

1.1 下一代飛行器

伴隨著全球化運輸的快速增長，能源形勢日益緊張、自然環境趨于惡化，各國普遍意識到航空飛行器需要加快升級換代。借助于航空科學技術的日新月異，節能、環保、高效成為未來航空技術的主要發展趨勢。降低能源消耗、減少環境污染，是實現航空運輸可持續增長的必由之路。因此，必須制定積極的措施，開發先進的技術，打造符合未來清潔環境需要的飛行器。

1.2 綠色航空

近年來，有關綠色飛行的科學技術在航空運輸業領域取得了顯著進展，在為客戶提供最佳的航空旅行的同時，盡可能降低了對環境的影響。隨著環保指標的不斷提升，迫切需要航空界應對可持續航空發展的挑戰，比較突出的約束是：降低污染排放和削弱區域性噪聲。世界各國越來越多地關注綠色航空，突出表現在對排放和噪聲的控制指標趨嚴。

首先，空氣質量需要得到改善，減少排放是重中之重。未來的航空器設計需要與創新的空氣動力學設計相結合，采用新型的氣動外形，實現降低飛行阻力，提高燃油效率，從而起到減少污染排放的效果。

其次，減少噪聲滋擾成為機場擴建計劃的關鍵部分。為使機場噪聲減少到當地社區可以接受的水平，必須采用創新的設計削弱機體噪聲，特別是在臨近機場的起降階段因機體結構等產生的噪聲。

1.3 歐美各國的要求

歐洲和美國對于綠色航空指標的要求各有特點，相對于其他國家而言屬于較為嚴格的控制水平。

1.3.1 歐 洲

歐洲航空運輸系統關注其競爭力和可持續性方面的新挑戰，對綠色航空的指標限制日趨嚴格：

（1）相對于2000年的指標，到2050年，通過采用先進的技術使每千米人均二氧化碳排放量減少75%，并使氮氧化物排放量減少90%。飛行飛機的感知噪聲排放量減少65%。

（2）與增升裝置使用密切相關的飛機滑行時段無排放。

1.3.2 美 國

在歐洲航空計劃的壓力之下，2016年4月，美國國家航空航天局（NASA）通過“新視野航空計劃”。著眼于未來蓬勃發展的航空市場，NASA聯合美國多家合作公司，共同開發新技術并大力推進其試驗、應用，這些新技術有望引領新的飛行時代，實現更高效的航空旅行方式，并獲得顯著的經濟效益。“新視野航空計劃”通過未來20年的技術進步，為航空旅行探索最好的綠色飛行技術，實現節能、減排、降耗的目的，并在未來的航空業競爭中處于主導地位。到2035年后，通過三個階段的技術推動，相比2005年，將亞聲速飛機的燃油消耗量減少60%、污染排放（包含起降階段）減少80%，噪聲降低52 d B。

1.4 現實意義

從歐美航空技術的規劃來看，未來飛行器的研究主要集中在兩個方面：減阻和降噪。

1.4.1 減 阻

減小飛行阻力是降低燃料消耗的有效措施。在飛行過程中，摩擦阻力占總阻力超過50%，就機翼而言，減小氣動摩擦阻力是較為有效的減阻手段。減阻的方法包括：層流設計、翼展增大、黏性減阻、湍流邊界層阻力研究等。氣動減阻的最大潛力是通過邊界層吸力進行層流控制，與現今的湍流飛機相比，總巡航阻力可以減半。新的增升裝置結構技術，能夠有效擴大機翼層流區域，從而達到減阻效果。

1.4.2 降 噪

飛機降噪是跨學科的，涉及多個部位，如增升裝置、起落架和發動機等系統。飛機起降階段的噪聲對機場附近居民影響極大，噪聲源有：襟翼（后緣和側緣、縫道）、前緣縫翼、起落架和輪艙、機翼和尾翼（后緣、翼尖）、機身（湍流邊界層）等。從分析來看，增升裝置使機翼區分為前緣、主翼與后緣三個區域，造成了流場的多個分離和轉捩區域，是機體噪聲的重要來源之一，主要包括縫翼縫道、縫翼滑軌、襟翼側邊和襟翼滑軌。根據綠色飛行的需要，應采取綜合的跨學科方法來降低噪聲，提高乘客舒適度和機場附近社區的宜居程度。

2 技術特征

2.1 增升裝置

增升裝置是飛機起降過程中最重要的部件之一，與飛機的可靠性、經濟性和環境保護有著直接的關系。增升裝置是通過運動改變機翼邊緣形狀，使得邊界層氣流再分布，從而改善翼面的壓力分布；同時借助縫道的作用，將高速氣流導入翼面，吹除舊的附面層，通過對翼面氣流分離的延遲起到增升效果。

2.2 層流機翼

根據普朗特的邊界層理論，氣流在機體氣動外形面以兩種狀態存在：層流和湍流。在靠近機體表面的層流區域，黏性力（表面摩擦）占主導地位，而在離表面足夠遠的地方，流動實際上是無黏的，速度能夠在更大的區域內趨于穩定，如圖1所示。在相同雷諾數條件下，由于狀態紊亂，湍流與機體產生較大的摩擦，相比之下，層流狀態由于流動的順暢，摩擦要小很多。

圖1 層流與湍流的流速效果對比［17］Fig.1 Laminar and turbulent boundary layer velocity profiles［17］

然而，層流區域是有限的，在初始一段距離流動后會轉變為湍流，在常規飛行條件下，機翼表面的氣流以湍流為主。通過大量的理論研究、試驗和工程實踐，研究人員發現通過外形修型或者附加吸氣、排氣裝置能夠對層流區域的擴大起到一定的輔助作用。目前，根據所采用技術手段的不同，形成了自然層流NLF（Natural Laminar Flow）、層流控制LFC（Laminar Flow Control）、混合層流控制HLFC（Hybrid Laminar Flow Control）三種層流機翼類型。

傳統翼型與各種層流化翼型的流場情況對比如圖2所示。

圖2 傳統翼型與各種層流化翼型的流場對比［21］Fig.2 Comparison of flow field between traditional airfoil and various laminar airfoils［21］

2.2.1 自然層流NLF

為了擴大翼面層流區，研究人員首先想到的是對翼型的特殊設計，將翼型剖面最大高度點向后緣移動，并使前緣區域呈現順壓梯度狀態，改變流場狀態，實現自然層流。在傳統機翼表面，湍流之所以占主導地位，是因為流場壓力梯度不均勻，較早的產生了流動轉捩。通過對翼型優化設計（如超臨界翼型），并借助于表面制造技術使機翼型面光順，可以推遲氣流轉捩。大型飛機的機翼一般都有較大后掠角，對于后掠角超過30°的情況，轉捩位置是隨后掠角的增大而向機翼前緣移動的，這對自然層流的實施效果有較大的限制。另外，高雷諾數的飛行狀態也使穩定的層流流動難以實現，因此在大型飛機上推廣使用自然層流翼尚有距離。

2.2.2 層流控制LFC

層流控制技術是在翼面上大范圍地采用輔助吸氣設備，對機翼表面進行流動控制以實現較大區域范圍的層流效果，較自然層流技術有更大范圍的層流區。但是，輔助設備的設計、安裝和工作都帶來了實施成本的增加，其實施起來復雜性高、功耗大，且在機翼內部有限的空間內不易實現。

2.2.3 混合層流HLFC

混合層流將前緣的吸力與翼型的重塑結合起來，以擴展層流化。在混合層流控制系統中，機翼前緣的少量空氣被吸入內部，降低了橫流速度，對橫流渦流起到了抑制作用，使層流向湍流過渡的位置被推遲到更高的弦比位置，從而產生更大的層流面積。它是自然層流和層流控制技術的結合，既充分利用了外形，又大幅減少了輔助設備的使用。對于大展長后掠翼的高速飛機，采用混合層流控制是抑制不穩定氣流和延遲過渡的一種很有前景的方法。

2.3 技術結合

從增升裝置的功能機理可見：穩定與較大區域的附面層是保持增升裝置功能的基礎，這也是層流機翼所要追求的目標。與層流機翼相匹配的增升裝置有助于提升層流效果，從而充分發揮空氣動力的潛力，對節能、降噪等環保指標的實現起到有力的推動作用。

歐、美已在此領域有專項研究，并逐步實施了設計、仿真與驗證。借助先進的優化手段和軟件，采用多目標、多學科綜合優化的方式開展設計，采用層流機翼及配套的增升裝置能夠將飛機的飛行阻力有效降低；通過設計適用于層流機翼的全新增升裝置及對現有系統的升級，使新飛機的性能大幅優于傳統飛機，有助于減弱飛行噪聲對環境的影響。

3 實施途徑與研究進展

若想在現有的大型飛機上實現二者的有效結合，則相應的增升裝置需要作進一步的技術升級，以適應層流機翼的構型要求。首先，在設計環境下對層流機翼增升裝置開展外形的優化，增升裝置的外形應符合層流機翼的要求；其次，應對增升裝置的增升效果與安全性進行評估，如最大升力系數、失速攻角是否符合設計要求；最后，開展增升裝置的運動功能和可靠性評估，為裝機應用做必要的工程驗證。

由于層流機翼對翼面的光順程度有較高要求，對于突出翼型的階差、縫隙要盡量減少。對于前緣增升裝置，前緣縫翼與機翼對接位置存在階差和縫隙，因制造帶來的形狀不規則會對層流效果產生負面影響，故一般不選用前緣縫翼，而是采用諸如克魯格襟翼或者柔性前緣；對于后緣增升裝置，為保持足夠的最大升力系數，是一般飛機必備的增升裝置，自適應襟翼和主動流動控制是目前研究應用的重要方向。如上所述，要將增升裝置與層流機翼綜合設計，則圍繞其實現目標重點可在以下類型的增升裝置上開展技術研究。

3.1 前緣增升裝置

在前緣要解決的問題是如何延緩氣流的轉捩，為達到這一目的，可以從兩方面考慮，一是增加前緣彎度和面積，相當于延長了氣流的掃掠路程；二是維持機翼表面清潔，避免表面污染對氣流轉捩的促進效果。

前緣增升裝置能夠與層流機翼結合的是克魯格襟翼和柔性前緣。

3.1.1 克魯格襟翼

層流技術具有較大的潛力可供開發，但是它對翼面的清潔度要求較高，特別是機翼前緣的污染程度對其發揮層流優勢有較強的負面作用。

克魯格襟翼是較為成熟的一種前緣增升裝置，在巡航階段，克魯格襟翼收起，構成機翼下翼面前緣的一部分，保持翼型光順與完整，起到對層流區域的保護作用；在起降階段，操縱系統驅動克魯格襟翼展開，能夠改善飛機在大迎角狀態下的失速特性，此時會對下翼面的層流造成破壞，但是可以起到對機翼前緣的遮蓋作用，降低昆蟲的污染，對巡航階段的層流形成具有保護效果。

P.Iannelli等在“DeSiReH”項目中研究了大展弦比低后掠機翼在自然層流跨聲速條件下的氣動特性，針對前緣機構的氣動特性和運動功能，開展了前緣縫翼、克魯格襟翼和下垂前緣等機構的氣動分析。經過分析計算，克魯格襟翼因其較好的升力特性、光順的外形和“昆蟲屏蔽”效果成為優選對象，如圖3所示。

圖3 克魯格襟翼的運動［25］Fig.3 Movement of the Krueger flap［25］

ASCO公司團隊通過“DEAMAK”項目開展了運動機構的設計和復合材料結構的實物制造，通過復合材料RTM（Resin Transfer Moulding）成型襟翼盒段，相比傳統的制造方法實現了結構減重。2019年，在空客A 340的“BLADE”項目上進行了飛行驗證，如圖4所示，以固定形式的克魯格襟翼測試了防污染效果。

圖4 空客A 340 BLADE飛行測試［27］Fig.4 Airbus A 340 BLADE flight tests［27］

德國宇航中心（DLR）繼“DeSiReH”之后在“HORIZON 2020”框架下的“UHURA”項目中，進行了包括克魯格襟翼在內的增升裝置非定常流體效應分析（如圖5所示），并通過風洞試驗的數據對CFD計算進行驗證，預計在2021年末完成。

圖5 增升裝置的非定常CFD結果［26］Fig.5 Unsteady CFD results for high-lift device［26］

張明輝等對翼身融合布局構型開展了克魯格襟翼設計并進行了風洞測試，結果表明增升效果對設計參數較為敏感，襟翼頭部前緣半徑和弦長的增大有利于流暢的穩定并避免了分離現象。

R.Kulhanek等對克魯格襟翼與機翼之間的縫道進行了進一步的分析和測試，結果表明，縫道的形狀和制造效果對流場的狀態有較大影響，襟翼尾緣的豎直狀態對最大升力系數有顯著的影響。

A.Shmilovich等對克魯格襟翼起降階段的升阻比進行了分析，在此基礎上對襟翼頭部的形狀與噪聲的關聯性進行了對比研究，從降噪角度優化了頭部形狀。

3.1.2 柔性前緣

為保持機翼前緣的增升效果，需要前緣適度的向下變形，依靠柔性結構（鉸鏈機構和柔性蒙皮）傳遞載荷、位移和能量，可以實現結構的無縫變形。將具有驅動、感知和控制功能的元器件與柔性結構相結合，可以構成基本的智能變形結構。智能變形結構具有廣泛的實用價值，被視為具有突破性的新技術，在變體飛機和自適應機翼的研究中發揮了重要作用。應用于機翼前緣的智能變形結構保持了翼面的完整性，不會在機翼外形面產生對縫或者臺階，使得前緣氣流的流動區域平緩，促使氣流轉捩推遲，改善了翼面的流場，擴大了層流區域。另外一方面，柔性的無縫結構能夠避免氣流經過縫道所產生的噪聲，從而起到削弱噪聲的作用。

德國宇航中心從2007—2019年分五個階段研究了柔性前緣技術，如圖6所示，通過內部的連桿運動機構對前緣柔性蒙皮進行驅動，實現了前緣無縫結構的彈性變形。

圖6 DLR的柔性前緣研究過程［31］Fig.6 The procession of DLR’s morphing structures［31］

整個研究過程經過了SmartLED的虛擬仿真、地面展示；SADE的2D風洞測試、變形控制；SW‐FA的機構優化、疲勞測試；SARISTU的蒙皮多功能集成；SFB880的全尺寸件制造、運動測試。其蒙皮結構以復合材料為基礎，集成了抗鳥撞、防除冰、防雷擊等功能，驅動機構經過不斷地拓撲優化和材料改進，實現了輕質高可靠性。但是，風洞試驗結果也顯示表面的制造容差對上翼面的氣流狀態有較高的敏感性。

C.Vittorio等研究了內部機構的優化過程，提高了變形的精準控制，降低了內部的應力集中，并以鎳鈷合金為材料進行了實物驗證，探索了其應用到航空器的可行性。

NASA的AHLLE項目（Advanced High-Lift Leading-Edge）是為層流機翼尋求適用的增升裝置。AHLLE項目檢驗了多種基于層流翼的前緣概念方案，進行了包括增升效果、層流兼容、復雜程度、噪聲、重量等多方面的評估比較，最終選擇兩種方案用于風洞測試，如圖7所示。

圖7 AHLLE項目構型［34］Fig.7 AHLLE configuration［34］

最終LAVLET（Laminar Airfoil Virtual Lead‐ing Edge Technology）與MOLEC（Multi-Objective Leading-Edge Concept）方案入選，LAVLET為前緣固定但帶有兩個吹氣孔，MOLEC為柔性前緣帶有一個吹氣孔，兩種構型均輔助以后緣吹氣。試驗結果表明，兩種構型最大升力系數均超過了預期指標，MOLEC略優于前者，同時這兩種方案均顯著優于傳統的克魯格襟翼方案。

葛文杰等開展了柔性前緣內部機構的拓撲優化，采用基結構法分析前緣外形，采用多目標法分析柔性機構，建立了柔性前緣的拓撲優化模型，驗證了影響因子對結果的差異化影響，并通過實體驗證了分析方案的可行性。

紀斌等開展了柔性伸縮蒙皮支撐結構的多目標拓撲優化，使用正六邊形對設計域進行離散，采用基于非支配排序遺傳算法NSGA-Ⅱ（Nondominated Sorting Genetic AlgorithmⅡ），得到多個可用于柔性伸縮蒙皮的支撐結構。

呂帥帥等針對柔性前緣的蒙皮在工程簡化基礎上開展了全參數優化設計，通過對NSGA-Ⅱ遺傳算法的改進來適應三維蒙皮的多目標優化求解，在柔性前緣變形精度控制和優化分析方面體現了效率優勢。

3.2 后緣增升裝置

相比前緣，后緣要解決的問題相對復雜一些，主要體現在弦長更長、翼型更薄和變形幅度更大。后緣的解決措施更多的集中在運動機構優化與輔助設備配置方面，在保持襟翼增升功能的同時，盡量實現減弱縫隙、階差的效果，直至無縫變形。為達到這一目的，可以從自適應襟翼結構和輔助流場控制裝置來實現增升與層流效果的綜合。

3.2.1 自適應襟翼

未來的飛行器機翼將以柔性、無縫的自適應結構為主，通過自適應結構能夠根據飛行需要改變翼型基本形狀，從而維持較好的氣動性能。傳統意義的增升裝置是剛性結構，自適應柔性結構的應用使得增升裝置結構簡化，不再以多段式的縫道結構形式來改變流場，而是采用連續的翼面彎度設計實現層流擴大化。

在智能材料成熟度較低和工程化前景不明朗的情況下，自適應結構的主要發展趨勢是以機械式結構為基礎，升級成熟材料輔助以優化驅動機構的設計。例如歐洲的自適應襟翼ATED（Adaptive Trailing Edge Device）、美國的連續變彎度襟翼VCCTEF（Variable Camber ContinuousTrailing Edge Flap），二者具有一定的共通性，即基于已有材料的合成或組合構成柔性蒙皮，襟翼內部分成三個串聯鉸接段，通過旋轉作動器或者記憶合金扭力桿形成驅動路線，如圖8~圖9所示。

圖8 ATED項目［41］Fig.8 Project of ATED［41］

圖9 VCCTEF項目［42］Fig.9 Project of VCCTEF［42］

楊智春等對該類型的鉸接自適應結構開展了運動學規律、氣動特性分析，結果表明，鉸鏈間的縫隙是偏轉幅度的約束，鉸鏈點的運動范圍與驅動角度呈正相關，最大升阻比隨后緣偏角的增大先升后降。

王瑞等針對大型飛機柔性變彎度后緣襟翼開展了氣動和機構的綜合優化設計，優化分析了反平行四邊形的機構形式，提高了柔性變形效果，并對起降和巡航構型進行了氣動分析，結果顯示，變彎度襟翼能夠有效提高升力和升阻比。

國內研究機構對后緣襟翼變彎度帶來的氣動收益進行了評估。王斌等在三維模型上開展了變彎度減阻技術分析，結果顯示變彎度技術在升力系數較大時能夠有效的起到減阻作用；何萌等對襟翼變彎度減阻收益進行了評估，結果顯示，大巡航升力系數下通過增大誘導阻力能夠較大程度削弱激波阻力，顯著提高升阻比。

自適應結構逐漸提高成熟度，包括NASA的ACTE（Adaptive Compliant Trailing Edge）和空客的ADHF（Adaptive Dropped Hinge Flap）在工程化實用階段取得了一定進步。

FlexSys公司同NASA合作的自適應后緣項目ACTE實現了飛行測試，如圖10所示。通過后緣與機翼的無縫對接，使翼面形成一個柔性整體，在機動飛行時根據載荷狀態實時調整形狀，通過自適應變形使機翼結構整體化，表面層流穩定化，從而達到減輕飛行阻力、提高燃油經濟性，減弱機體噪聲的目的。

圖10 ACTE項目［48］Fig.10 Project of ACT E［48］

ADHF結構作為一種多功能的后緣增升裝置，已在空客A 350XWB和波音B787飛機上應用。它通過內部的連桿機構設計，使得擾流板、折流板和襟翼協同作用，如圖11所示。在巡航狀態下，需要襟翼小角度偏轉起到操縱面的輔助作用，此時上、下翼面的縫道由擾流板和折流板封堵，從而使得流場連續，延遲了流場轉捩，具有相應的層流控制效果。在起飛和著陸階段，仍然保持了縫道結構形式，具有必要的增升作用。

圖11 ADHF項目［49］Fig.11 Project of ADHF［49］

3.2.2 主動流動控制

主動流動控制通過引入外部能量，對翼面指定區域的流動狀態形成干擾，起到控制的作用。主動流動控制具有控制氣流分離時機的效果，能夠根據需要顯著提高流場質量，具有滿足下一代航空器挑戰的潛力。主動流動控制的主要技術有零質量射流、等離子體射流、渦流發生器、邊界層吹吸氣等。

通過噴氣裝置來對翼面的流場實行控制，達到改變增升裝置流場狀態的目的，是未來的一種層流控制趨勢。德國宇航中心通過在機翼前緣和后緣安裝輔助裝置開展了流場控制研究，如圖12所示。

圖12 主動流控制［50］Fig.12 Active flow-separation control［50］

P.Scholz等在機翼前緣下側安裝渦流發生器，實現了推遲氣流分離，延緩了失速，并對提高升力有益；F.Haucke等在后緣安裝多縫脈沖噴氣系統以延緩湍流分離，實測顯示，升力系數得到了顯著提高；郝璇等進行了定常吹氣方式對增升效果的評估，結果表明，隨吹氣量的增加，升力系數的增加效率逐漸降低；M.Desalvo等對比了襟翼前緣上游和下游的振蕩射流激勵效果，結果顯示，該方法能有效改善襟翼的富勒效果，簡單的單塊襟翼在振蕩射流和橫流間隙的匹配下，能夠與富勒襟翼的增升效果相當。

4 關鍵技術

創造未來的機翼不是一件容易的事情，而作為增升裝置在此方面尤為突出。對于工程設計人員而言，未來飛機設計面臨的挑戰是需要不斷探索最佳的材料、制造和組裝技術，以及空氣動力學和翼面結構方面的新技術，來創新增升裝置的設計，以適應未來航空市場發展的需要。

若要適應新的環保降噪和減排要求，現有的增升裝置需要在設計和制造方面作出改進升級。技術研發需要兼顧超前性與工程可實施性，將新技術成熟度提升是其滿足未來綠色航空實際要求的關鍵。以下方面是未來需要重點解決的問題。

4.1 高準確度流場仿真技術

增強CFD預測能力，有助于增升裝置氣動設計和優化的實踐。民用運輸飛機起降過程中的最大升力系數和失速迎角是增升裝置設計的兩個關鍵參數，受湍流模型、模擬方法等因素的限制，CFD模擬難以準確地得到這些參數。歐洲的EU‐ROLIFT項目和美國的HiLiftPW項目針對增升裝置的流場開展了一系列地分析、評估和試驗，以期能夠提高利用CFD工具對升力系數、轉捩影響、失速現象的準確評估能力。雖然隨著計算機的飛速發展，CFD在飛機氣動設計中的應用越來越廣泛，但是增升裝置流場的邊界層過渡、層合分離、湍流附線和邊界沖擊等流動現象非常復雜，研究適合大展弦比后掠翼增升構型的數值方法、湍流模型和網格生成標準，并明確理解增升流動的物理特性仍然是一個巨大的挑戰。提高流場的仿真準確度，有助于對增升裝置結構做出簡潔有效的改型設計，實現減輕結構重量、提升變形效率的目標。流場仿真的準確同時要兼顧增升裝置的結構特征，綜合開展氣動和機構的仿真優化。

4.2 輕質多功能結構設計技術

伴隨著各種新材料、新技術的應用，增升裝置翼面結構趨向于輕質化、整體化發展，即實現結構多功能的一體化。增升裝置作為相對獨立的翼面，便于實施結構和功能的整體性設計，特別是整體化成型的復合材料和增材制造技術成為主要應用研究趨勢，同時兼顧了抗鳥撞、防除冰和雷電保護的需要。在一體化成型顯著降低零件數量和裝配工作量的同時，整體化的翼面結構便于從制造階段控制翼面光潔程度，減少對縫和階差，這些都是有利于層流形成的外形特征，而且對縫的減少對于機體的降噪也是有益的。

4.3 高可靠運動機構設計技術

增升裝置的功能實現是基于可靠的運動機構設計。為實現層流區域的擴大，需要對機翼前緣和后緣的運動機構做出適應性改進，以使相應的增升裝置翼面與機翼形成較好的相對位置關系。對于運動機構設計，應深入研究自適應結構形式，拓展仿生運動機構的應用，實現變形與承載的協調。有別于常規增升裝置的縫道機構設計，為實現外形的光順與整體化，需要采用新型的運動機構和驅動方式，既要與層流的翼面外形相適應，還要降低機構復雜程度，提升整體的承載能力和運動可靠度。降低增升裝置運動機構故障率是實現其正常功能的前提，否則氣動設計的優勢將在可靠性問題上大打折扣。

4.4 高效率層流轉化技術

將自然層流技術與主動流控制相結合的混合層流技術，是層流技術發展的一個主要應用趨勢。談到層流控制就要涉及層流轉換裝置的效率，通過轉換設備產生的層流區域大小與設備重量的比值可以看作層流控制設備的效率衡量指標。要提升層流區域的效果，既要從轉換原理上改進，又要優化設備，降低動力需求，減輕結構重量，縮小空間占用，從而以較低的附加成本實現層流效果。

5 結束語

（1）隨著減阻、降噪的要求逐步工程化，基于層流機翼的增升裝置設計與發展將顯著改變未來飛行器的機翼設計，使得飛行過程更節能、更安靜。

（2）通過柔性結構與主動流控制相結合的方式有望提高增升與層流的協調，實現對減阻、降噪指標的技術層面保障。

（3）在層流機翼的增升裝置研究中，存在關鍵技術有待突破的問題，需要從提高流場仿真準確度、推進結構功能一體化設計、提升運動機構的可靠性、增強層流化設備的轉換效率等方面入手來解決。