飞机增升装置的发展和展望

孟令晗

摘 要：增升装置保障了飞机的经济、安全飞行，是现代飞机的重要组成部分。飞机在着陆或机动飞行时，使用增升装置可以改善飞机的起降和机动飞行性能。文章从机翼升力产生原理出发，引出了增升装置的重要性，介绍了襟缝翼、吹气增升等不同增升装置的基本原理和它们的共性，探讨了新技术增升装置的未来发展趋势。增升装置对于飞机设计制造具有重要的意义，是研发的关键环节之一。

关键词：机翼；增升装置；升力；流动控制

中图分类号：V211.41 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）02-0062-02

随着科技技术的发展，飞机越来越快，也越来越多。为了安全、高效地在有限的机场跑道进行起降，飞机上普遍安装了增升装置。增升装置已经成为现代飞机的重要组成部分，不同飞机上独特的增升装置更是成为了特征。本文尝试介绍增升装置的原理和发展，并尝试对其未来发展进行展望。

1 机翼产生升力的原理

在100多年前，莱特兄弟发明了依靠自身动力飞行的飞机。固定翼飞机飞行的过程中，气流通过机翼的上下表面，在扰动下产生压力差，进而提供托举飞机的升力。之后，我们分析翼型，即机翼的剖面。根据开尔文环量定理，升力源自于翼型周围的环量分布。如果将翼型抽象成无厚度的曲线，在曲线上布置涡线，可以得到这个翼型的升力性能（对于阻力的计算就更复杂一些，在此不涉猎）。（见图1）

为了便于讨论，我们将各种数据参照来流进行无量纲处理，以避免尺寸带来的影响，如升力系数定义如下：

对于一个亚音速不可压情况下的薄翼型，我们有，

即

所以在临界迎角前，机翼的升力系数变化率与迎角变化率的比值为。机翼的弯曲程度将改变机翼的零升迎角和力矩，提供额外的升力（和阻力）。

2 为什么需要增升装置

早期飞机多限于低速飞行，故没有装备增升装置的必要性。在一战时期，航空业迅速发展，飞机渐渐的成为一种主要的运输工具。发动机和材料工艺的进化，使得飞机的速度大大提升。但是，更高的速度势必增加飞机的起降距离。在有限的跑道上如何安全的起降飞机成为难题。

降低飞机速度后，增加飞机的迎角可以弥补升力损失。然而，机翼有“失速迎角”，越过这一点，会发生流动分离，发生失速现象，造成飞机坠毁。（见图2）

一个有效的解决方式是，在巡航时采用正常构型，在起降时采用一定手段增加一定速度下机翼所能提供的最大升力。现阶段主要的增升方式有襟缝翼增升以及吹气增升。

3 各种形式的增升装置

3.1 襟缝翼及其不同形式

目前民航机上最为主流的增升方式是后缘襟翼和前缘襟翼，主要原理是增加机翼弯度或/与增加机翼面积。（见图3）

3.1.1 简单襟翼

与1916年被发明，通过改变机翼弯度来实现增升。波音787也采用了简单襟翼。

3.1.2 分离襟翼

DC-3等飞机采用，增加升力显著，但是也会大幅度提高阻力。

3.1.3 开缝襟翼

在襟翼与机翼之间有开缝，低压气流通过开缝处，使得气流更好的附着在襟翼上，推迟失速的发生。

3.1.4 富勒襟翼

襟翼后退并向下弯折，同时增大机翼的弯度和面积，大多配合开缝襟翼共同应用。波音747是一个著名的实例。

3.1.5 克鲁格襟翼

安装与机翼前缘。改善了大攻角情况下机翼前缘的气流附着。

3.2 吹气增升

特殊的应用环境催生了对于短距起降飞机的需求。著名的鹞式战斗机通过旋转发动机喷口的方式来实现短距/垂直起飞以及垂直降落，而V-22鱼鹰直升机通过一对可以调整方向的螺旋桨实现垂直起降与水平高速飞行直接的转换。一味的增大机翼面积是行不通的，部分机型通过吹气改变翼型环量分布的方式来增升。

直接引用环量定理的结论

即机翼升力正比于来流速度以及周围环量。

波音YC-14将引擎的喷气近距离作用于机翼上表面，实现了大幅度增升，降低了飞机进离场速度来实现短距起降。然而，发动机喷气的高温对机翼材料强度以及寿命造成了严重的影响。它的竞争对手YC-15采用了“外吹气襟翼技术”，即通过将发动机喷流吹向双缝襟翼来增升。最后，YC-15胜出，发展成了著名的C-17运输机。

但是上吹气并没有绝迹，现代涡桨飞机或多或少都有采用这样的技术，机翼的部分升力是由螺旋桨产生的气流所提供的。通过吹气增升，涡桨飞机的油耗更低，更经济。

3.3 其余增升方式

除了传统意义上的襟翼和吹气增升方式以外，还有其他的通过改变流场的增升方式。

3.3.1 三角翼构型

實际上是一种从根本上取消增升装置的“增升”方式。以协和式客机为例，为了超音速飞行采用了独特的三角翼布局，带来了这个额外的好处。三角翼较之普通的后掠翼，在大攻角飞行时由于前缘产生的涡流，不易发生失速，故并不需要襟翼等装置。

3.3.2 通过涡流发生器推迟流动分离

与三角翼的原理相似，通过涡流推迟失速发生。歼-10的鸭翼既是操纵面，也提供了增升的效果。在F/A-18上，边条用同样的原理改善了飞机的低速性能。

3.3.3 自激励运动机翼

是一种仿生学襟翼，模仿鸟类飞行时，翅膀局部出现分离流动时作自适应运动现象所设计。自激励襟翼不需要动力驱动，在流动发生分离时，受诱导自动运动，起到了增升的作用。

3.3.4 等离子体技术

运用DBD（介质等离子体放电）等技术进行主动流动控制，改变机翼表面流场的分布，达到增升的作用。

4 结语和未来展望

在最新的A350XWB中，应用了机翼主动控制技术，通过计算机控制机翼的襟翼和副翼，来达到最有效率的气动构型。在未来，增升装置会向着主动化、可控化的方向发展。结合更新的自动控制技术和算法，以及更多的主动流动控制技术，除了产生更多升力，襟翼等增升装置工作时还会产生额外的噪音。噪音不仅影响飞机的乘坐感受，严重时的共振甚至会造成额外的结构载荷。增升装置的噪音预测和减阻优化是现今飞机设计的难点和重点之一。除此以外，如何防止增升装置失效以及增升装置失效后的备份措施，也一直备受关注。

飞机增升装置的运作与飞机的升力产生原理息息相关，更是保证现代飞机安全飞行不可或缺的一部分。增升装置的原理无外乎于增加机翼面积或者机翼周边环量。增升装置的研发，是一个国家航空技术实力的重要体现，也是大客等发展的坚实基础。

参考文献：

[1]Anderson Jr J D. Fundamentals of aerodynamics[M].Tata McGraw-Hill Education， 2010.

[2]周涛，李亚林，陈迎春.增升装置中的流动控制技术[J].上海交通大学学报，2014，48（2）：214-221.

[3]O.Smith A M. High-lift aerodynamics[J]. Journal of Aircraft，1975，12（6）： 501-530.