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航空小常识

A340嫁接机翼,背后还有一大盘棋

时间:2017年12月21日 09:15   来源:微信@空中客车
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  见识过嫁接花花草草,果树枝丫,但将一架飞机的机翼截下来,再嫁接一段新机翼,这事儿可不多见。这不,在今年9月26日,一架嫁接了新机翼的A340客机就搞出了一个大资讯。这到底是怎么回事儿呢?

  当地时间9月26日,空中客车生产的第一架A340-300 飞机在法国南部城市塔布实现了其飞机生涯中的第二个首飞,之所以将这次飞行也叫做首飞,是因为它的主翼两端嫁接了全新设计的层流机翼,该型机翼计划使未来的短途民用客机减少8%的飞行阻力和5%的油耗及碳排放。A340层流机翼验证机的升空标志着BLADE(刀锋)项目从理论计算走到了实际试飞阶段。BLADE项目是欧洲“清洁天空”计划中的一项,BLADE是“Breakthrough Laminar Aircraft Demonstrator in Europe”的缩写,意为“欧洲创新性层流飞机验证机”。未来,这架飞机还将进行约150小时的飞行测试,充分验证层流机翼对飞行效率、飞行品质等因素的影响。

 

  嫁接机翼的A340完成了其生涯的第二个首飞

 

  层流机翼是什么? 

  层流(Laminar Flow),是流体的一种状态。在迎角等其他工况相同时,当流速很小时,流体分层流动,互不混合,称为层流,或片流。随着流速增大,流体的流线开始出现波浪状摆动,摆动频率和振幅随流速的增加而增加,这种流况称为过渡流。当流速继续增大,流线不再清晰可辨,流场中出现许多小漩涡,此时称为湍流,或紊流、乱流。流体的这种变化可以在计算研究中量化。机翼层流,是指飞机机翼表面流体微团的轨迹没有明显不规则脉动的气流,流速增大后,气流会首先在机翼后缘发生扰动形成湍流,湍流中的流体微团会与机翼产生较大的摩擦阻力,速度越大,湍流形成的位置越靠前,摩擦阻力就会越大。

  层流机翼,即充分利用气体层流效应设计的翼型。与大多数机翼横截面上弯下平的设计不同,层流翼的上下翼面均弯曲凸起(上方比下方略凸),其最大凸起处为弦长的50%处,而最前方相对较薄,此种设计能减少流经翼面的湍流,减少空气阻力,进而加快飞机速度和减少耗油量;层流翼的缺点是在低速时产生的升力较一般机翼小,这可能也是空客选择拥有4台发动机的A340进行该试验的原因。简单地说,层流机翼就是通过延后上表面气流从层流变成湍流的位置,以减少湍流带来的空气与蒙皮摩擦阻力的翼型。

  众所周知,飞机飞行时受到的空气阻力有4大类,分别是摩擦阻力、压差阻力、诱导阻力和附加阻力。这里说到改变翼型,大家很容易想到翼稍小翼对阻力的影响,其实,翼梢小翼减少的是诱导阻力,和今天所说的层流机翼没有关系。

  研究层流翼型涉及更多的问题当属摩擦阻力,有研究表明,采用层流翼和层流发动机短舱设计可以减少30%的摩擦阻力。当同一股流体流经物体表面时,后方的湍流摩擦阻力要比前方的层流摩擦阻力大90%甚至更多,而且后方流体流速也会迅速降低,这也是很多战斗机发动机进气道口有附面层隔板的原因,要滤掉紧贴机身蒙皮的那层混乱气流。因此,设计一款层流机翼,就需要在增加机翼表面光洁度和缩小弦长这两个方面下功夫,前者是为了降低摩擦阻力,后者为了降低抑制湍流产生的难度。那么,层流机翼设计真的很难么?

  目前,自然层流(NLF)机翼已经在一些中小型飞行器,如本田喷气公务机、“全球鹰”无人机以及滑翔机上成功使用,本田公务机甚至将NLF设计原则应用在机头,与湍流机头相比阻力降低了约10%。此外,二战时期的著名战机P-51“野马”也是层流翼型,看来层流效应在小个头的飞机上容易实现。大型民用客机由于飞行雷诺数较大,飞机表面实现稳定的自然层流比较困难,自然层流技术仍处于探索之中,自然层流机翼,这就是空客,以及其他20个合作伙伴共同研究的课题。

 

  刀锋机翼什么样? 

  经过多年的理论研究与风洞试验,“刀锋”项目终于在今年9月底被这架A340-300带上了天。除了安装层流机翼,项目团队还在A340的垂尾顶部和翼尖安装了设备舱,用来监视、记录层流翼的流场状态。空客称,这架“刀锋”A340是欧洲尺寸最大的飞行试验验证机。

  为什么要研究探索层流机翼?空客研发部主管阿克塞尔·弗莱格说明说,近50年民用飞机的单座油耗每千米降低了约7%,这主要是通过使用新型发动机、新型轻质材料和先进的制造技术实现的,这些方面的探索已经接近瓶颈,下一步将从更加细微的摩擦阻力寻求效率提升空间。

  弗莱格称,解决机翼摩擦阻力的理论探索已经进行了多年,但在实际设计中却没有太多应用,这是因为层流对小的扰动十分敏感,要求机翼截面的设计偏差率极低,且要求表面具有极强的抗污染能力。但随着技术的进步,现在已经有了成熟的工业方案解决这些问题,是时候将这些方案拿上飞机进行试验了。

  这架用于改装的A340飞机的机翼从最外侧两台发动机位置被截掉,长度约为翼展的1/3。新嫁接上的层流机翼分别是来自萨博企业设计的整体式复合材料试验段(左翼)和GKN企业设计的分离式前缘和上表面金属试验段(右翼),以分别测试自然层流效果。翼尖吊舱和垂尾顶舱内的红外摄像机还可以精确记录飞行中层流与湍流之间的转捩位置与状态。转捩是流体力学名词,指流体层流到湍流的过度,转捩点的计算和预估是设计飞行器的关键前提。

 

  这个视角可以清楚看出层流机翼占整个翼展的约1/3

 

  “刀锋”项目测试的是机翼自然层流的效果。自然层流转捩,即没有其他因素干扰时的层流转捩,与之相对的是分离流转捩和旁路转捩,后两者是通过改变翼型或通过引入其他流体改变原有的层流转捩,典型的例子是通过机翼前缘吹气或加装扰流片改变机翼表面的流场状态,从而实现增升减阻的效果。但与层流机翼设计相比,那些都是较为宏观的设计优化方案。

  为什么采用两种不同的层流机翼试验段?众所周知,为提升飞机在低速状态下的升力表现,除了后缘襟翼,飞机还有前缘襟翼,这牵扯到复杂的作动结构设计,同时,两段蒙皮之间细小的缝隙也会对层流产生很大的影响。空客在早期的理论试验与设计总结中也得知,机翼表面的曲线设计与光洁度等对层流效果影响巨大,需要在结构设计与空气动力学两者之间寻求平衡点。这就是右侧使用分离式前缘层流机翼的目的。

 

  

  制图:闫妍

 

  清洁天空怎么做? 

  作为欧洲“清洁天空”计划的项目之一,空客与其他合作伙伴计划在2018年底完成“刀锋”飞机的所有试飞工作,虽然该项目此前已有一些拖延。在计划150个飞行小时的试飞中,试验团队将对层流机翼的原始数据进行分析和评估,同时结合地面模拟机,对飞机操纵品质和飞行包线进行探索,特别是对低速状态下的飞行性能进行拓展。

  “清洁天空”是欧盟委员会在2007年6月提出的一项航空环保计划,旨在通过改善飞机的燃油系统等举措,降低飞机的噪声和温室气体排放,减少航空运输对环境的影响,从而建立一个具有创新力和竞争力的欧洲航空运输体系。“清洁天空”计划首批技术项目涉及6个领域中的72项研究课题,这6个领域包括绿色支线飞机、绿色旋翼飞机、绿色发动机、智能固定翼飞机、绿色运行系统和航空生态设计。层流机翼就属于智能固定翼飞机领域。

 

  

  嫁接连接处的黑白条纹是用于观测层流的反射背景。垂尾顶端可见镜头窗口。

 

  “清洁天空”计划从2007年起,已经在2013年完成了第一阶段的基础理论研究与探索,2014年,预算总额高达40亿欧元的第二阶段正式实施,第二阶段作为一个公私合作的项目,分别从业内和欧盟获得60%和40%的资金支撑。

  在第二阶段的“清洁天空”计划中,另一个十分受关注的课题是开式转子发动机的研究。开式转子发动机早在上世纪80年代就有成品问世,其中以通用电气企业的GE36最为知名。开式转子发动机比常规涡扇发动机节油20%~30%,但劣势是噪声巨大,因此目前仅有对噪声水平要求较低的军用运输机安-70使用。在该计划中,发动机制造商赛峰集团承担起了开式转子发动机的研究,并在2016年完成了大部分组件的制造工作。遗憾的是,今年8月,欧洲“清洁天空”发动机项目官员简弗朗索瓦证实,欧盟已经搁置由法国赛峰发动机企业研发的对旋开式转子发动机演示机项目,这意味着未来商业上可用的开式转子发动机可能还要等上几十年,这对燃油节约概念的支撑者是一个巨大的打击。

 

  

  层流机翼后掠角减小,从反射效果看,其表面的光洁度明显比原机高。

 

  作为航空运输中重要的组成元素,绿色发动机项目的搁浅对清洁天空计划第二阶段定下的目标肯定会有一定打击,特别是二氧化碳排放量减少75%这类雄心勃勃的目标。这还会使在整个计划中起主导作用的空客企业,在第二阶段中重点建立新型航空动力系统及其与飞机机体整合的研究平台受到影响,这项工作的原计划包括在一架A340飞机上安装一台开式转子发动机进行测试,以及制造一架动力系统与飞机机身后部融合的验证机。

  飞行不易,安全、绿色的飞行更加困难。但是就有一群人,为了公众的利益,为了子孙后代的利益,用智慧改变着大家生活的世界。A340嫁接机翼,嫁接的不仅是一块层流机翼那么简单,而是想通过每架飞机再减少5%的排放,带给世界多一点清新与绿色。科学研究也从来不是一帆风顺,“刀锋”计划有拖延,开式转子发动机项目搁浅,人们还需要面对很多,脚踏实地地做,让嫁接的机翼早日在未来天空结出灿烂的果实。


  原文刊载于2017年第12期《航空常识》杂志

  感谢原文编辑授权转载

  A340层流机翼验证机首飞回顾

 

  图集| A340层流机翼验证机首飞 

 

  

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