神奇的层流机翼

张建军

2017年9月，机翼外形奇特的空客A340“刀锋”层流验证机在法国南部成功首飛，这标志着欧洲突破性层流飞机验证机项目从理论研究迈向了实际试飞阶段。

验证机将A340飞机发动机外侧约1/3展长的翼尖部分换成了层流试验段短翼。左右两个试验段短翼分别采用了两种完全不同的制造理念：右侧是吉凯恩航宇公司的分离式前缘、上表面为金属材料的机翼，左侧是萨博公司复合材料集成前缘、上表面为复合材料的机翼。试验段短翼通过过渡段和整流罩与主机翼连接在一起。

在客舱内，有一个高度复杂的专业飞行测试仪表站，包括使用红外摄像机监测层流临界点，测量声波对层流影响的发声器和反射系统，安装于翼梢和垂尾顶部的相机及传感器，将测量和记录机翼的变形情况以及层流范围。

验证机创造了航空史上将跨音速层流机翼与内部主要结构的第一次真正结合，被称为“飞行实验室”。飞行结果表明，一副自然层流机翼将减少8%的机翼阻力，降低5%的燃油消耗。也正是由于上述原因，空中客车“刀锋”（BLADE）层流机翼验证机项目获得了《航空周刊》颁发的“民用航空技术桂冠奖”。

层流机翼取得突破

层流是指流体微团像井然有序的队伍一样，在各自的轨迹上流动，互不混合。与层流相对应的是湍流，湍流中流体微团的轨迹杂乱无章，上蹿下跳，激烈掺混，就像熙熙攘攘的市场一样，从而产生较大的摩擦阻力。

对飞机机翼来说，随着逆压梯度的增大，层流边界层内的微团受到高压气流的阻碍，越来越难以保持整齐的队列，达到一定程度时就完全乱了队形，从而转变成湍流。在相同雷诺数条件下，层流的摩擦阻力比湍流低90%左右。

由于层流巨大的减阻效果，航空界自20世纪30年代起就开始研究层流翼型，设计出著名的NACA（美国航空航天局的前身）系列、FX（F.X.沃特曼，空气动力学家）系列、Eppler（爱普勒，空气动力学家）系列和NPU（中国西北工业大学）系列层流翼型。20世纪五六十年代，尽管由于制造工艺的原因，加工不出足够光滑和表面波纹度足够小的机翼表面，但模型飞机和小型飞机的试飞表明，获得大范围的层流是有可能的。

20世纪80年代早期，NASA通过安装层流翼套的方式，进行了不同后掠角的跨声速飞行试验。由于没有考虑后掠翼横流扰动对转捩的影响，飞行试验得到的层流区并没有达到预期的效果。工程技术人员总结经验教训后，NASA在一架波音757飞机上使用改进的层流翼套进行试飞，获得了较好的试验结果。

随着研究的深入，针对自然层流机翼存在的缺点，航空界还研究了主动层流控制和混合层流控制两类减阻技术，以进一步提高飞机性能。

主动层流控制技术通过大量微孔，采用吹气或者吸气等装置对机翼表面进行流动控制，可大幅扩大层流区范围，但需要从发动机引气或者安装复杂的控制系统，付出发动机推力损失或者结构重量增加的代价。

混合层流控制技术将自然层流和主动层流控制相结合，仅在翼面前缘等关键位置布置微孔或者微缝吹吸气，翼面其余处仍靠有利的压力梯度保持层流状态。与主动层流控制相比，引气系统的复杂性大大降低，因此受到更多关注。从目前来看，混合层流控制技术将是未来机翼减阻的主要方向之一。

广泛应运还有距离

尽管相关研究获得了重大突破，但层流机翼的广泛应用还需要一段时间。机翼表面的微小台阶或者缝隙都会对气流产生扰动，因此对制造过程中的公差控制有严格要求。与非层流机翼相比，层流机翼的铆钉头高度要低2.5倍，台阶高度要低7倍，气动型面精度要高2倍，表面波纹度要小3倍。

另外，自然层流机翼的鲁棒性不好。在非设计点，机翼层流流动可能提前转捩，会导致飞机升力突然下降。冰粒、昆虫和灰尘颗粒等有可能影响机翼的光洁度，从而导致层流提前转捩为湍流。大型民用飞机采用层流机翼时，为减小横向流动的干扰，必须降低机翼后掠角，从而带来增大激波阻力的不利影响。