飞机减阻技术的现状与发展

陈 耿

（航空工业西飞，陕西 西安 710089）

飞机是人类历史上最伟大的发明之一，自1903-12-17莱特兄弟的“飞行者1 号”首飞直至今天，飞机的气动外形发生了巨大的变化，这一切都是为了使飞机在特定飞行速度下具有较高的飞行性能，复杂、不规则的外形会给飞机带来极大的阻力，飞机气动外形的优化改进一直朝着减阻的方向发展。

现代民用大中型客机均为高亚音速，阻力主要有摩擦阻力、压差阻力、诱导阻力、干扰阻力，而摩擦阻力和诱导阻力占总阻力的绝大部分，目前，减阻技术研究的重点都是致力于减小这两种阻力；民用客机最重要的是燃油经济性，这样才能给航空公司带来盈利，阻力降低1%也能给民用客机带来相当可观的经济效益，因此，减阻技术一直都是整个航空界研究的焦点。

本文分析研究了截至目前航空界主要的减阻技术及其原理、应用情况，还有正在研究的减阻新技术及应用前景，为低阻气动布局的设计提供了参考。

1 减阻技术的现状

随着航空飞行器的不断更新换代，气动外形的优化改进，已经有许多成熟的减阻技术已经在飞机上应用。

1.1 超临界翼型

早期的民航客机基本采用普通翼型，导致飞机在高亚音速巡航时，机翼上表面出现超音速气流，并以强激波结束，产生很大的阻力，限制了客机的飞行速度；在20世纪60年代后期，RICHARD W 和DIETRICH K 提出了超临界翼型，翼型上表面变得更为平坦，机翼前缘钝圆，下表面呈弧形并向下弯曲，超临界翼型的气流在前缘会更快的到达一个局部马赫数（未产生激波），并在上表面平坦区域保持此速度，在后缘产生一个弱激波，相比普通翼型的强激波，阻力明显降低，如图1所示。

超临界翼型早已在客机、运输机上得到广泛应用，极大提高了高亚音速飞机的巡航马赫数。

1.2 沟槽/肋条减阻

20世纪70年代，NASA 研究中心发现顺气流微小沟槽的表面可以减小物体表面约6%的摩擦阻力，改变了研究人员对于光滑表面摩擦阻力小的传统认识，沟槽/肋条减阻成为了湍流减阻技术的研究焦点，如图2所示。

图2 沟槽/肋条示意图

北京航空航天大学的王晋军等人证实了沟槽面可以使边界层转捩推迟，在湍流边界层区域具有减阻特性。CHOI等人进行的试验结果显示沟槽面对层流边界层向湍流边界层转捩有明显的延迟作用。

目前，沟槽/肋条减阻均已在工程实践中得到了应用，空客在A320 飞机的表面贴上沟槽薄膜，面积达到浸润面积的70%，节约燃料1%～2%；德国最早在飞机机身上使用沟槽，节约燃料可达8%；西飞公司在运七风洞模型上顺气流粘贴肋条薄膜，通过风洞试验验证，可减小阻力5%～8%； 沟槽/肋条的缺点是尺寸较小，直接加工难度大，目前基本使用薄膜实现，而薄膜容易破损，沟槽易被灰尘覆盖；随着加工工艺及材料的发展，沟槽/肋条减阻有非常广阔的应用空间。

1.3 涡流发生器

涡流发生器主要用于抑制气流分离以减小阻力，流体的粘性阻滞使近壁面气流沿流动方向不断减速，在一定逆压梯度作用下，边界层外部气流仍保持原来方向，但近壁面气流则逐渐减速直至为零，甚至倒流，使得气流发生分离，阻力急剧增大，简单来说，就是粘性作用导致近壁面气流的能量不断耗散，最终不能保持原来的流动。

到1947年BMYNES 和TAYLER 提出了涡流发生器（Vortex Generator，简称VG）的概念，就是垂直安装于飞机表面的小展弦比薄片，通过控制VG 的安装参数，在其后卷起不同方向的涡，给出下游的边界层注入新的能量，提高目标区域的抗逆压梯度能力，甚至可以消除气流分离，目前已得到广泛应用。

目前，VG 已被应用于民用客机（A320、波音737）、军用运输机（C-17）的发动机短舱，如图3所示，抑制低速大迎角时短舱上卷起的涡流，提升飞机失速迎角；空客在A340飞机襟翼前缘安装VG，使得着陆状态可用偏角增加3°，升力增加2.2%；美国空军在C-130、C-17 上翘后机身安装VG，减轻上翘后机身边界层的流动分离，阻力减小6%和1.6%。

图3 VG 在飞机上的应用

1.4 翼梢小翼

当机翼产生升力时，下翼面的压强高于上翼面的压强，下翼面气流就会沿展向从翼尖向上翼面流动，同时具有向后流动的速度，这样就会在翼尖处形成漩涡，漩涡的气流在旋转的同时也向后流动，两个翼尖漩涡的气流方向相反，称之为翼尖涡，随之而产生的附加到机翼上的阻力为诱导阻力，约占飞机总阻力的40%；翼梢小翼可以阻碍下翼面气流向上翼面流动，减弱翼尖涡强度，减小诱导阻力。

1988年，波音747-400 进行了翼梢小翼的飞行测试，减阻效果可达3.5%，波音737 也使用了翼梢小翼，如图4所示。与此同时，空客也开始采用翼梢小翼，并应用在A320，如图5所示。

后续逐渐发展产生鲨翅小翼、双羽小翼、双弯刀小翼等，翼梢小翼的应用，极大提高了民航客机的燃油经济性。2015年，美国就曾研究给老的运输机队进行减阻，为此开展了C-130J 的减阻翼梢小翼飞行试验。

图4 波音737 的双羽小翼

图5 A320 早期的上下小翼

2 减阻技术的发展

随着材料、制造、工艺的发展，减阻不再仅依靠气动外形的优化，新材料、新工艺让减阻研究迈上了新台阶。

2.1 层流机翼

边界层可分为层流和湍流，由于目前飞机表面制造光洁度降低，层流较早的转捩为湍流，而在相同雷诺数下，层流的摩擦阻力远小于湍流，因此，尽可能保持测量流动可以极大减小摩擦阻力。

由于层流巨大的减阻效果，自20世纪30年代就开始研究层流翼型，主要有NACA 系列、FX 系列、NPU 系列层流翼型。20世纪80年代，NASA 在波音757 上使用层流翼套，取得了较好的试验效果。2017年，空客将A340 验证机翼尖部分换装层流试验段进行了飞行测试，结果表明，一副自然层流机翼阻力减小8%，燃油消耗降低5%。虽然目前层流机翼研究取得了重大突破，但其对制造公差要求非常高，机翼表明微小的台阶都会对气流产生翼型，因此距离大量工程应用还有很长的路要走。

2.2 附面层抽吸技术（BLI）

民用客机在机身尾部安装嵌入式的风扇，驱动风扇对机身低速附面层进行抽吸和加速，为机身低能附面层注入能量，降低阻力，即附面层抽吸技术（BLI），改技术已被越来越多的欧美航空科研机构争相研究，是最有潜力的飞机减阻技术。由NASA 开发的客机概念方案“STARC-ABL”，如图6所示。

图6 NASA 开发的STARC-ABL 方案

采用目前常规的机身-机翼布局，机翼下安装两台涡扇发动机作为飞机的动力，机身尾部安装电驱动的环形风扇，由翼下发动机提供电力驱动风扇抽吸机身低能附面层，减小机身阻力，阻力减小意味着动力需求降低，相应地可以减小发动机的尺寸，抵消了后置风扇及附件的额外增加的重量。

德国包豪斯研究院的PFC 概念与STARC-ABL 基本相似，同样在机身尾部安装环形风扇对边界层进行抽吸，以减小阻力，不同的是PFC 在环形风扇后部安装有小型发动机，用于驱动BLI 风扇。

空客“鹦鹉螺”项目也采用了BLI 技术，如图7所示。在机身尾部安装两台超高涵道比涡扇发动机，为飞机提供动力的同时，也对机身低能附面层进行抽吸，减小阻力，鹦鹉螺项目主要是解决了未来超高涵道比发动机在机翼下的安装难题，技术难点是发动机风扇在畸变流场中工作，降低了风扇效率。

图7 空客鹦鹉螺项目方案

2.3 折叠机翼

2018年NASA 在位于加利福尼亚的阿姆斯特朗飞行研究中心进行了一系列自适应机翼展向工程的飞行试验，飞行员能在飞行中根据多种飞行条件去调整机翼的折叠角度，以此来达到对应飞行条件下的最佳升阻状态，由于须使用特殊材料来实现机翼的折叠，因此，该技术短期内难以大量应用。

2.4 柔性变形技术

柔性变形技术是自适应结构复杂性的柔性复合结构，采用单片、分布式无缝变形机制，满足强度和柔性需求，这些结构能够根据不同的飞行速度、高度、重量进行自适应的偏转和扭转以最小化巡航配平阻力、燃油消耗，减轻载荷等，柔性变形相比折叠机翼更为复杂，主要是优化飞行时的机翼弯度，而折叠机翼仅根据飞行条件改变翼尖部分的折叠角度，柔性变形结构未来有望和已大量应用的翼梢小翼一样，成为改善气动性能的有效措施。

2014年，NASA 在湾流GIII 试验机上进行了柔性后缘襟翼的飞行试验，验证了该结构的变形和承载能力，柔性系统公司预计该技术能够带来2%～12%的减阻效果。

3 总结

本文总结分析了飞机减阻技术的现状与发展，简单分析了各减阻技术的原理及工程应用情况。超临界翼型、涡流发生器、翼梢小翼现已大量应用于各种军民用飞机，沟槽/肋条尚未大量应用于飞行器，但在其他行业（输油管道）取得显著成效。得益于先进材料、工艺水平的研制及应用，未来的减阻技术逐渐朝着气动与材料相结合的方向发展，附面层抽吸及柔性变形等新技术的研究和应用，给未来飞机气动布局设计带来了无限可能。本文为低阻气动布局的设计提供了参考。