2019年度國(guó)外民機(jī)總體氣動(dòng)技術(shù)綜述

摘要：2019年，世界民用航空業(yè)經(jīng)歷了非同尋常的發(fā)展和變化，總體氣動(dòng)技術(shù)發(fā)展勢(shì)頭良好，在電推進(jìn)新概念飛行器、新型氣動(dòng)布局、機(jī)體減阻、降噪、超聲速低聲爆技術(shù)、建模仿真技術(shù)、氣動(dòng)測(cè)量技術(shù)等多個(gè)方面穩(wěn)步推進(jìn)，部分領(lǐng)域取得了豐碩的成果，電動(dòng)航空成為研究熱點(diǎn)和未來(lái)民機(jī)的重要發(fā)展方向之一。本文通過(guò)總結(jié)梳理國(guó)外民機(jī)在2019年度總體氣動(dòng)技術(shù)方面的研究進(jìn)展，提出對(duì)我國(guó)民用航空技術(shù)發(fā)展的啟示和建議，對(duì)我國(guó)后續(xù)民機(jī)的整體研究規(guī)劃以及航空電氣化的發(fā)展具有一定的借鑒和參考意義。

關(guān)鍵詞：氣動(dòng)技術(shù)；氣動(dòng)布局；超聲速；主動(dòng)流動(dòng)控制；航空電氣化

中圖分類號(hào)：V211.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.08.001

在飛行器研制中，總體氣動(dòng)設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，直接影響飛行器的飛行性能和飛行品質(zhì)，對(duì)飛機(jī)的飛行安全、飛行效率與經(jīng)濟(jì)性等都具有決定性的影響。同時(shí)，飛行器的總體氣動(dòng)設(shè)計(jì)也作為機(jī)體結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，可以說(shuō)，總體氣動(dòng)是飛行器設(shè)計(jì)的重中之重，總體氣動(dòng)技術(shù)的突破及進(jìn)步對(duì)飛行器及其設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展起到了強(qiáng)有力的推動(dòng)作用。2019年，世界民用飛機(jī)的發(fā)展依舊圍繞節(jié)能、降噪、減排的總目標(biāo)持續(xù)推進(jìn)，總體氣動(dòng)技術(shù)呈現(xiàn)出穩(wěn)中有新的發(fā)展特點(diǎn)。電推進(jìn)飛機(jī)成為民用航空研究熱點(diǎn)和未來(lái)的重要發(fā)展方向之一，世界多國(guó)、多家企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)提出了多種電推進(jìn)飛機(jī)方案；波音公司、空中客車公司等航空主制造商持續(xù)不斷探索新型氣動(dòng)布局及各種氣動(dòng)技術(shù)的潛力，為推進(jìn)民用航空的持續(xù)發(fā)展，各國(guó)的建模仿真及試驗(yàn)等基礎(chǔ)技術(shù)也在穩(wěn)步推進(jìn)。此外，隨著各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展以及人們對(duì)高速旅行的需求，民用超聲速飛機(jī)未來(lái)將重回歷史舞臺(tái)，對(duì)超聲速民機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)也在持續(xù)穩(wěn)步推進(jìn)。

1電推進(jìn)新概念飛行器

近年來(lái)，受重視環(huán)保、鼓勵(lì)創(chuàng)新等大環(huán)境的推動(dòng)，全球?qū)﹄娡七M(jìn)飛機(jī)的研發(fā)和驗(yàn)證力度不斷增強(qiáng)，電動(dòng)飛機(jī)已成為航空界的研究熱點(diǎn)之一。2019年度，對(duì)電推進(jìn)新概念飛行器的研究熱度依舊不減，在電推進(jìn)新概念飛行器領(lǐng)域，初創(chuàng)（Eviation）公司推出了全電支線飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)制造商羅羅公司推出的全球最快全電動(dòng)飛機(jī)以及空中客車公司推出的混合電推進(jìn)支線客機(jī)概念，由此可見(jiàn)，電推進(jìn)技術(shù)可能率先應(yīng)用于通用航空和支線領(lǐng)域，而且電推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，可能會(huì)改變傳統(tǒng)的飛機(jī)設(shè)計(jì)思想及研制分工方式。

Eviation公司于2019年1月首次報(bào)道其首款“愛(ài)麗絲”（Alice）全電動(dòng)支線飛機(jī)[1]。一款由三臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)推進(jìn)螺旋槳的9座全復(fù)合材料飛機(jī)（見(jiàn)圖1），一臺(tái)螺旋槳安裝在飛機(jī)尾部，另外兩臺(tái)安裝在機(jī)翼翼尖，可提高推進(jìn)效率。該機(jī)最大起飛重量（質(zhì)量）6356kg，機(jī)身內(nèi)安裝有3800kg電池，可提供900kW/h的能量（特斯拉最高可達(dá)100kW/h），電池重量占飛機(jī)總重60%。飛機(jī)航程1000km，巡航速度444km/h。三臺(tái)電動(dòng)機(jī)總輸出功率為800kW。安柏瑞德航空大學(xué)將為該項(xiàng)目提供試飛和飛行測(cè)試支持，加快認(rèn)證進(jìn)度。

羅羅公司也于2019年1月宣布打造全球最快的全電動(dòng)飛機(jī)加速飛行電氣化（ACCEL）[2]，實(shí)現(xiàn)480km/h的最高時(shí)速（見(jiàn)圖2）。該項(xiàng)目旨在制造、測(cè)試并商業(yè)化應(yīng)用電動(dòng)飛機(jī)，并幫助開(kāi)發(fā)必要的技術(shù)和供應(yīng)鏈知識(shí)，推動(dòng)未來(lái)飛機(jī)概念發(fā)展，為未來(lái)電氣化飛行儲(chǔ)備技術(shù)，積累經(jīng)驗(yàn)。如果成功，羅羅認(rèn)為在ACCEL上得到驗(yàn)證的技術(shù)可以商業(yè)化，用于培訓(xùn)以及進(jìn)行城市空運(yùn)的電動(dòng)垂直起降飛機(jī)。

2019年7月，空客公司在英國(guó)皇家國(guó)際航空展覽會(huì)上推出了“猛禽”混合電推進(jìn)支線客機(jī)概念（見(jiàn)圖3），旨在使用其在混合電推進(jìn)技術(shù)、主動(dòng)控制技術(shù)、先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域的相關(guān)研究，推動(dòng)航空業(yè)的發(fā)展。該飛機(jī)概念采用渦槳混合電推進(jìn)系統(tǒng)，其構(gòu)型設(shè)計(jì)受到鳥(niǎo)類高效飛行動(dòng)力學(xué)的啟發(fā)，機(jī)翼和尾翼模仿猛禽的生理結(jié)構(gòu)。特別是機(jī)翼和尾翼結(jié)構(gòu)上具有可獨(dú)立控制的羽毛機(jī)構(gòu)，能夠提供主動(dòng)飛行控制能力。該機(jī)機(jī)翼-機(jī)身連接部分結(jié)構(gòu)模仿獵鷹身體與翅膀的生理構(gòu)造，呈弧形，沒(méi)有垂尾，而是由分裂的楔形尾翼構(gòu)成。這一概念設(shè)計(jì)體現(xiàn)了仿生學(xué)在航空領(lǐng)域應(yīng)用的潛力?？湛凸颈硎?，這種支線飛機(jī)最多可搭載80名乘客，航程可達(dá)1500km，耗油量比目前同類飛機(jī)低30%～ 50%。

2新型氣動(dòng)布局研究持續(xù)推進(jìn)

傳統(tǒng)布局已經(jīng)發(fā)展了幾十年，在提升飛機(jī)效率方面的潛力越來(lái)越小，為進(jìn)一步提升飛機(jī)的效率，各主制造商及相關(guān)國(guó)家研究機(jī)構(gòu)紛紛推出新型氣動(dòng)布局，2019年度，針對(duì)新型氣動(dòng)布局的研究持續(xù)推進(jìn)并取得顯著成果。

2.1波音公司推出全新的跨聲速桁架支撐機(jī)翼布局

2019年1月，波音公司發(fā)布了跨聲速桁架支撐翼（TTBW）概念布局的改進(jìn)型[3-6]，如圖4所示。相比以前的TTBW概念，新構(gòu)型飛行高度更高、飛行速度更快，旨在提高馬赫數(shù)0.80時(shí)具有前所未有的氣動(dòng)效率。該布局采用折疊翼設(shè)計(jì)，翼展為51.8m，大翼展通過(guò)桁架的支撐得以實(shí)現(xiàn)。最初的TTBW設(shè)計(jì)飛行速度為馬赫數(shù)0.70～0.75。為了增加飛機(jī)的巡航速度，新的概念設(shè)計(jì)優(yōu)化了桁架，增加了機(jī)翼后掠角，并通過(guò)調(diào)整機(jī)翼后掠角度，桁架可以更有效承載升力。最終獲得顯著改善飛行器性能的綜合設(shè)計(jì)。在美國(guó)航空航天局（NASA）艾姆斯研究中心的大規(guī)模風(fēng)洞試驗(yàn)后，對(duì)構(gòu)型進(jìn)行了更改。

2.2荷蘭KLM公司聯(lián)合代爾夫特理工大學(xué)研究翼身融合布局客機(jī)

2019年6月，荷蘭KLM航空公司與代爾夫特理工大學(xué)合作研究Flying-V全新布局客機(jī)概念（見(jiàn)圖5），F(xiàn)lying-V的命名因其不同尋常的V形布局而來(lái)。與傳統(tǒng)構(gòu)型不同，該機(jī)的客艙、貨艙及其燃油艙位于機(jī)翼中，屬于翼身融合布局[7-8]，將發(fā)動(dòng)機(jī)置于機(jī)身上面，機(jī)身可屏蔽部分發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲。Flying-V首次飛行將使用煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，而后將使用電動(dòng)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，更經(jīng)濟(jì)和環(huán)保。Flying-V與A350座級(jí)和貨物運(yùn)載能力相當(dāng)，但耗油率可節(jié)省20%；翼展與A350相同，不需要對(duì)機(jī)場(chǎng)和跑道進(jìn)行重建，能夠使用與A350相同的現(xiàn)有機(jī)場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施和機(jī)庫(kù)。預(yù)計(jì)Flying-V在2040—2050年之后投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。

2.3 DLR開(kāi)展分布式電推進(jìn)布局研發(fā)

2019年12月，德國(guó)航空航天局（DLR）展出了19座分布式電推進(jìn)飛機(jī)概念圖（見(jiàn)圖6）。該電動(dòng)飛機(jī)沿機(jī)翼展向分布多個(gè)小型螺旋槳，機(jī)翼展向更長(zhǎng)、弦向更窄、垂直安定面更小。DLR采用此種構(gòu)型的分布式電推進(jìn)[9]飛機(jī)，包括翼尖推進(jìn)的支線飛機(jī)（見(jiàn)圖7）和沿機(jī)翼前緣分布式推進(jìn)支線飛機(jī)（見(jiàn)圖8）。

沿機(jī)翼分布的一系列小型螺旋槳有助于產(chǎn)生更大的升力，從而減小機(jī)翼面積，減輕飛機(jī)重量，降低阻力，減小所需的推進(jìn)功率。此外，由于擁有多個(gè)推進(jìn)器，如果其中一個(gè)出現(xiàn)故障，其他的還可確保飛機(jī)的安全性，且不會(huì)增加太多重量。分布式電推進(jìn)對(duì)于飛行控制也有一定的幫助，如使用翼尖附近的電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的偏航控制，可降低對(duì)方向舵的需求，將其設(shè)計(jì)得更小更輕，從而減少重量，降低阻力。DLR對(duì)具有分布式推進(jìn)系統(tǒng)的混合動(dòng)力支線飛機(jī)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，與目前同級(jí)飛機(jī)相比，這種飛機(jī)將使燃油消耗降低30%以上。

2.4 DLR持續(xù)推進(jìn)邊界層抽吸布局研發(fā)

2019年12月，DLR展示了一種尾部帶有電推進(jìn)裝置的中程飛機(jī)（見(jiàn)圖9），機(jī)翼下方的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生推力，同時(shí)還向飛機(jī)尾部的風(fēng)扇提供電力，尾部風(fēng)扇對(duì)飛機(jī)進(jìn)行邊界層抽吸，從而提高飛機(jī)的氣動(dòng)效率。與NASA設(shè)計(jì)的方案不同，DLR選擇了“鴨式”布局，水平安定面位于飛機(jī)前部的“鴨翼”之上，垂直安定面位于翼尖。

3多項(xiàng)氣動(dòng)技術(shù)研究取得進(jìn)展

氣動(dòng)技術(shù)是飛機(jī)發(fā)展的基本問(wèn)題，在確保民用飛機(jī)安全的同時(shí)，減少飛機(jī)阻力、提高飛行效率、減輕飛機(jī)重量是飛機(jī)設(shè)計(jì)的主要技術(shù)指標(biāo)，氣動(dòng)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，推動(dòng)飛機(jī)性能的持續(xù)提升，也是民機(jī)獲得商業(yè)成功的技術(shù)保障。2019年度，民用航空不斷推進(jìn)氣動(dòng)技術(shù)的研究探索。

3.1 TsAGI研究解決飛機(jī)跨聲速抖振的新方法

2019年7月，俄羅斯茹科夫斯基中央空氣流體動(dòng)力學(xué)研究院（TsAGI）正在探索新的飛機(jī)擾流控制方法，以消除跨聲速飛行時(shí)產(chǎn)生的不利現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)5年的研究，TsAGI組織了一系列試驗(yàn)研究主動(dòng)抑制波阻的方法，包括從開(kāi)縫噴口吹出切向壓縮空氣射流到機(jī)翼的上表面。2018年根據(jù)在TsAGI風(fēng)洞中的試驗(yàn)結(jié)果確定了這種控制系統(tǒng)的最佳參數(shù)，包括噴口位置、模擬馬赫數(shù)為0.72～0.82的跨聲速飛行條件下的吹氣強(qiáng)度。試驗(yàn)表明了這種技術(shù)的有效性。同時(shí)TsAGI借助專門(mén)的擾流裝置采用被動(dòng)方法影響跨聲速擾流。他們采用從分布在壓縮激波前后的機(jī)翼上專門(mén)小孔的氣流旁路形成渦流的方法，減弱抖振現(xiàn)象。該方法的優(yōu)點(diǎn)之一是不需要額外的能量?？缏曀傺埠斤w行擾流控制技術(shù)可顯著提升氣動(dòng)性能，將成為未來(lái)飛行器概念的基礎(chǔ)。

3.2 BAE系統(tǒng)公司試驗(yàn)創(chuàng)新的吹氣飛行控制技術(shù)

2019年5月，英國(guó)BAE系統(tǒng)公司的麥格瑪（MAGMA）無(wú)人機(jī)使用更簡(jiǎn)單的“吹氣”方案取代了傳統(tǒng)控制面，展示了創(chuàng)造更輕、更可靠、運(yùn)行成本更低的飛機(jī)的可行方式。該機(jī)是航空史上首次在飛行中使用超聲速吹氣操縱飛機(jī)，而無(wú)須復(fù)雜的可調(diào)飛行控制面。該無(wú)人機(jī)由曼徹斯特大學(xué)與BAE合作設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，同月已成功試驗(yàn)了兩種“無(wú)襟翼”技術(shù)。本次展示的兩種創(chuàng)新流動(dòng)控制技術(shù)，一是機(jī)翼環(huán)量控制；二是射流推力矢量。這些技術(shù)旨在改善飛機(jī)的控制和性能，還可提升飛機(jī)的隱身性，可能會(huì)改變未來(lái)飛機(jī)的設(shè)計(jì)。

3.3 DLR進(jìn)行新型主動(dòng)控制柔性機(jī)翼地面振動(dòng)測(cè)試

2019年7月，DLR對(duì)兩套主動(dòng)控制柔性機(jī)翼設(shè)計(jì)方案進(jìn)行地面振動(dòng)測(cè)試。第一套方案是由慕尼黑工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)，由玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成的顫振試驗(yàn)機(jī)翼模型。相應(yīng)的飛行控制系統(tǒng)共有兩種，一種由DLR奧伯芬霍夫系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)控制研究所研發(fā)和設(shè)計(jì)，另一種由匈牙利科學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與控制研究所研發(fā)。第二套設(shè)計(jì)方案由DLR哥廷根氣動(dòng)彈性研究所與代爾夫特理工大學(xué)聯(lián)合研發(fā)，這種機(jī)翼也是由玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成，其特性在于“負(fù)載狀態(tài)下，新型機(jī)翼不僅彎曲變形更大，扭轉(zhuǎn)變形也更大”，這樣，既能使機(jī)翼重量減輕20%，又可與標(biāo)準(zhǔn)機(jī)翼同樣堅(jiān)固，還能避免飛行中載荷過(guò)大。

3.4空客公司研究“半氣動(dòng)彈性鉸鏈”機(jī)翼概念

2019年7月，空客公司研發(fā)的“信天翁”1號(hào)“半氣動(dòng)彈性鉸鏈”機(jī)翼概念有助于減少阻力，并對(duì)抗湍流的影響?？湛凸鞠聦俚挠?guó)菲爾頓的工程師從信天翁獲取了靈感，在空客公司ProtoSpace基地的支持下，開(kāi)發(fā)了“信天翁”1號(hào)，這是一種采用了“半氣動(dòng)彈性”鉸接翼尖的縮比遙控驗(yàn)證機(jī)?！靶盘煳獭?號(hào)是第一種在空中飛行時(shí)進(jìn)行自由振動(dòng)翼尖試驗(yàn)的飛機(jī)，這部分鉸接翼尖占機(jī)翼長(zhǎng)度的1/3?！鞍霘鈩?dòng)彈性鉸鏈”機(jī)翼允許翼尖根據(jù)陣風(fēng)情況進(jìn)行反應(yīng)和彎曲，載荷得到顯著降低。同時(shí)，這種機(jī)翼還可以減少阻力、抵御湍流和陣風(fēng)的影響。改進(jìn)飛機(jī)機(jī)翼設(shè)計(jì)是“信天翁”1號(hào)的目標(biāo)之一。該驗(yàn)證機(jī)是一架基于A321飛機(jī)的縮比飛機(jī)，采用碳纖維和玻璃纖維增強(qiáng)聚合物以及增材制造。“信天翁”1號(hào)的下一步是開(kāi)展兩種飛行模式的飛行試驗(yàn)，即實(shí)現(xiàn)翼尖在飛行過(guò)程中解鎖以及開(kāi)展過(guò)渡過(guò)程的試驗(yàn)。

3.5 DARPA研究新的主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)，取代傳統(tǒng)飛機(jī)控制面

2019年8月，美國(guó)國(guó)防預(yù)先研究計(jì)劃局（DARPA）發(fā)布“帶有效應(yīng)器的革命性飛機(jī)控制”（CRANE）項(xiàng)目。該項(xiàng)目尋求在飛機(jī)設(shè)計(jì)早期引入顛覆性技術(shù)，包括新的流動(dòng)控制技術(shù)及設(shè)計(jì)工具。其想法是通過(guò)主動(dòng)流動(dòng)控制來(lái)布局和優(yōu)化飛機(jī)，以提升新型商用和軍用飛機(jī)的效能。DARPA希望項(xiàng)目中大量采用現(xiàn)成的商用貨架部件，尤其是跟主動(dòng)流動(dòng)控制子系統(tǒng)無(wú)關(guān)的部分。CRANE項(xiàng)目的成功，可能會(huì)取消飛機(jī)上大的活動(dòng)控制面（如副翼、方向舵、襟翼、升降舵及配平翼面，發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械矢量噴管，或者其他的傳統(tǒng)活動(dòng)氣動(dòng)面），目標(biāo)是在飛行中演示主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)可以維持飛行安全，提供可量化的飛機(jī)能力。CRANE項(xiàng)目分為4個(gè)階段。前兩個(gè)階段關(guān)注設(shè)計(jì)過(guò)程、控制回路分析和建模技術(shù)等；后兩個(gè)階段，競(jìng)爭(zhēng)選出部分參研者，主要進(jìn)行部件測(cè)試、制造、組裝、地面試驗(yàn)和飛行演示。

4 CFD技術(shù)和地面試驗(yàn)取得進(jìn)展

4.1建模仿真技術(shù)在飛行培訓(xùn)和新型飛行器研究中不斷拓展

2019年3月，為滿足聯(lián)邦政府規(guī)定的復(fù)雜狀態(tài)預(yù)防和改出（UPRT）的訓(xùn)練要求，美國(guó)所有定期航空公司的飛行員都開(kāi)始使用改進(jìn)的飛行模擬器訓(xùn)練[10]。NASA將城市空運(yùn)（UAM）定義為城市區(qū)域內(nèi)安全高效的航空客貨運(yùn)輸系統(tǒng)，乘客接受度是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)面臨的諸多挑戰(zhàn)之一。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，NASA艾姆斯研究中心準(zhǔn)備了“飛行品質(zhì)座艙”的新模擬器，與該中心的垂直運(yùn)動(dòng)模擬器一起運(yùn)行。帶有環(huán)繞式視覺(jué)系統(tǒng)的四人座艙與垂直運(yùn)動(dòng)模擬器匹配。垂直運(yùn)動(dòng)模擬器的大振幅運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)使研究人員能夠以安全且經(jīng)濟(jì)高效的方式探索飛行品質(zhì)。

多家公司正在研究眼球追蹤系統(tǒng)評(píng)估飛行員對(duì)各種刺激的反應(yīng)。眼球追蹤用于確定飛行指令（主飛行顯示器上的橫滾和俯仰姿態(tài)引導(dǎo)）的開(kāi)啟或關(guān)閉對(duì)飛行員有效監(jiān)控飛行軌跡能力的影響，旨在改善飛行員的飛行軌跡監(jiān)測(cè)訓(xùn)練，需要進(jìn)一步研究來(lái)確定眼球跟蹤在訓(xùn)練中的作用。

4.2 NASA地面試驗(yàn)設(shè)備改進(jìn)取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展

2019年9月，NASA開(kāi)始對(duì)位于克利夫蘭的格倫研究中心的2.743m×4.572m風(fēng)洞設(shè)備進(jìn)行聲學(xué)改進(jìn)。它將花費(fèi)近兩年的時(shí)間來(lái)翻新風(fēng)洞回路部分，并更換試驗(yàn)段中的導(dǎo)流板材料，將背景噪聲降低多達(dá)9.3dB。噪聲衰減的顯著改善將允許對(duì)更新、更安靜的渦扇推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行更準(zhǔn)確的試驗(yàn)和評(píng)估。與此同時(shí)，美國(guó)空軍阿諾德工程開(kāi)發(fā)綜合體的國(guó)家全尺寸空氣動(dòng)力學(xué)綜合設(shè)施全面試驗(yàn)?zāi)芰謴?fù)取得進(jìn)展。2017年6月，該設(shè)施遭遇了一次a級(jí)事故，損壞了6個(gè)風(fēng)扇電機(jī)中之一的所有葉片。該團(tuán)隊(duì)在2019年繼續(xù)努力修復(fù)和改造24.384m×36.576m世界上最大的風(fēng)洞，以期2020年初恢復(fù)試驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

4.3氣動(dòng)測(cè)量技術(shù)取得突破

2019年1月，美國(guó)堪薩斯大學(xué)的吳慧軒團(tuán)隊(duì)演示了一種新型磁粒子跟蹤技術(shù)（MPT）[11]。MPT通過(guò)磁場(chǎng)來(lái)跟蹤物體，不依賴光學(xué)，可在完全不透明的環(huán)境中使用。同時(shí)，它不涉及放射性物質(zhì)或X射線，所以操作安全簡(jiǎn)單。該團(tuán)隊(duì)用非線性卡爾曼濾波代替了基于優(yōu)化的方法，使重建速度提高了三個(gè)數(shù)量級(jí)，提高了精度和分辨率。2019年5月，堪薩斯大學(xué)的研究小組應(yīng)用MPT技術(shù)，對(duì)庫(kù)埃特裝置中密集剪切顆粒流進(jìn)行了研究。

2019年4月，DLR在發(fā)動(dòng)機(jī)短艙上涂上了熱敏涂料以研究層流-湍流轉(zhuǎn)捩。因?yàn)樘技{米管層可以產(chǎn)生均勻分布的表面加熱，碳納米管和熱敏涂料（cntTSP）的組合可以在復(fù)雜的三維風(fēng)洞模型上測(cè)量邊界層的轉(zhuǎn)變。cntTSP傳感器可以直觀地反映由于層流和湍流傳熱系數(shù)不同而引起的表面邊界層溫度分布。在這項(xiàng)研究中，DLR調(diào)查了cntTSP應(yīng)用到歐洲低溫風(fēng)洞（PEWT）中發(fā)動(dòng)機(jī)短艙的適用性。

2019年7月，作為美國(guó)空軍資助的一個(gè)項(xiàng)目的一部分，MetroLaser公司演示驗(yàn)證了一種可以應(yīng)用于超聲速流的密度和速度的空間分辨同步測(cè)量的診斷方法（見(jiàn)圖10）。這種方法被稱為“雙單元濾波瑞利散射”，它包括用激光片照亮測(cè)量區(qū)域，用兩臺(tái)相機(jī)測(cè)量來(lái)自流場(chǎng)的瑞利散射光，兩臺(tái)相機(jī)分別用不同壓力的碘蒸氣裝置濾波。該方法基于一個(gè)數(shù)學(xué)模型，該模型將通過(guò)過(guò)濾器收集的瑞利散射光與壓力、溫度和流速聯(lián)系起來(lái)。該模型用于將測(cè)量到的光強(qiáng)轉(zhuǎn)換為二維圖像中每個(gè)點(diǎn)的密度和速度。MetroLaser公司在超聲速共流射流上演示了該技術(shù)，準(zhǔn)確地從空間和定量?jī)煞矫娌东@了二維密度場(chǎng)。該團(tuán)隊(duì)還證明了測(cè)量二維速度場(chǎng)的可行性，但該可行性研究中使用的簡(jiǎn)化圖像配準(zhǔn)方法的局限性導(dǎo)致了空間速度分布的一些誤差。通過(guò)使用更嚴(yán)格的圖像配準(zhǔn)方法，并采納改進(jìn)碘裝置壓力選擇的建議，應(yīng)該能夠使該方法優(yōu)化后將密度和速度準(zhǔn)確度提高4%。

4.4 TsAGI完成未來(lái)低噪聲飛機(jī)第一階段半模試驗(yàn)

2019年11月，TsAGI完成了未來(lái)低噪聲飛機(jī)半模型的第一階段研究工作。低噪聲飛機(jī)的主要特點(diǎn)是小后掠角，尾吊發(fā)動(dòng)機(jī)，能夠在機(jī)翼上產(chǎn)生層流。這種布局可為客機(jī)帶來(lái)三大優(yōu)勢(shì)：減少阻力，屏蔽機(jī)翼上發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲，在起飛和降落期間防止異物進(jìn)入。另外，采用先進(jìn)的構(gòu)型，飛機(jī)速度可以達(dá)到830～850km/h。此前全尺寸模型已經(jīng)在TsAGI風(fēng)洞中進(jìn)行了測(cè)試，為了提高研究的可靠性，TsAGI決定制作半模。試驗(yàn)以Ma0.2的低速和Ma0.75～0.8的高速進(jìn)行。半模型包括巡航外形（即干凈機(jī)翼）以及起飛和著陸構(gòu)型。TsAGI測(cè)量了機(jī)翼部分的壓力分布，并使用熱像儀進(jìn)行了研究。試驗(yàn)證實(shí)了機(jī)翼上表面的層流段延長(zhǎng)，阻力降低5%～6%，飛機(jī)將消耗更少的燃料。半模型試驗(yàn)計(jì)劃2020年繼續(xù)進(jìn)行。

4.5 NASA CFD 2030愿景取得重大進(jìn)展

CFD 2030愿景[12]是NASA在2014年發(fā)起一項(xiàng)聯(lián)合研究項(xiàng)目的成果，提出了基于物理計(jì)算能力的大膽設(shè)想。CFD 2030愿景強(qiáng)調(diào)了開(kāi)發(fā)更適合未來(lái)許多核心計(jì)算架構(gòu)算法的重要性，以實(shí)現(xiàn)時(shí)標(biāo)解析度仿真的時(shí)空分辨率目標(biāo)。盡管在工業(yè)應(yīng)用中二階代碼繼續(xù)占主導(dǎo)地位，但高階求解器開(kāi)始顯示出應(yīng)用潛力。2019年，NASA相關(guān)研究取得重大進(jìn)展。同年2月，美國(guó)聯(lián)合技術(shù)研究中心對(duì)艾姆斯研究中心開(kāi)發(fā)的高階不連續(xù)伽勒金求解器渦流進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，與現(xiàn)有同等精度標(biāo)準(zhǔn)的求解器相比，它的速度要快一個(gè)數(shù)量級(jí)。這證明了新興的高階比例分解方法可能會(huì)影響渦輪機(jī)械部件的設(shè)計(jì)和分析。

5美歐持續(xù)推進(jìn)超聲速民機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)

5.1博姆和達(dá)索合作開(kāi)發(fā)超聲速客機(jī)

2019年5月，博姆超聲速公司通過(guò)使用達(dá)索公司的3D EXPERIENCE平臺(tái)，以加速飛行速度達(dá)到Ma 2.2的“序曲”民用客機(jī)的設(shè)計(jì)和研制。3D EXPERIENCE平臺(tái)可針對(duì)小型原始設(shè)備制造商和Eviation公司的產(chǎn)品創(chuàng)新，在單一、安全且基于標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境中提供對(duì)數(shù)字式設(shè)計(jì)和仿真應(yīng)用的可擴(kuò)展訪問(wèn)。借助這個(gè)平臺(tái)，博姆超聲速公司的工程師、項(xiàng)目經(jīng)理和首席試飛員可以實(shí)時(shí)協(xié)作，以完全可追溯的方式定義需求、訪問(wèn)和重新使用通用流程和部件，從而降低項(xiàng)目的復(fù)雜性、成本和資源使用，提高效率，使首個(gè)原型機(jī)的研制時(shí)間縮短一半并提高產(chǎn)品質(zhì)量，從而減小進(jìn)入市場(chǎng)的障礙。

博姆超聲速公司正在制造XB-1雙座驗(yàn)證機(jī)，以測(cè)試超聲速飛行的關(guān)鍵技術(shù)。一旦投入運(yùn)營(yíng)，該公司的旗艦產(chǎn)品“序曲”超聲速客機(jī)將實(shí)現(xiàn)Ma 2.2的飛行，從紐約飛到倫敦僅需3.25h，從東京飛舊金山僅需5.5h。

5.2洛馬公司提出40座級(jí)超聲速客機(jī)概念

2019年6月，洛馬公司公布了Ma 1.8飛機(jī)概念方案（見(jiàn)圖11）。這款飛機(jī)最多能搭載40名乘客穿越太平洋。該機(jī)基于洛馬公司為NASA開(kāi)發(fā)的X-59超聲速低聲爆驗(yàn)證機(jī)技術(shù)，同時(shí)利用了10年來(lái)的多項(xiàng)研究成果。洛馬公司相信，該方案可實(shí)現(xiàn)跨越太平洋航線的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)克服聲爆和機(jī)場(chǎng)起降噪聲的問(wèn)題。從外形上看，該概念方案采用大后掠角、三角翼、細(xì)長(zhǎng)機(jī)身布局，機(jī)長(zhǎng)68.58m，翼展22.25m，目標(biāo)航程9630km，起飛場(chǎng)長(zhǎng)2896～3200m，聲爆強(qiáng)度小于80PLdB。為了滿足需求，洛馬公司采用了4個(gè)關(guān)鍵的使能技術(shù)：聲爆塑形設(shè)計(jì)、集成低噪聲推進(jìn)系統(tǒng)、后掠翼超聲速自然層流和用于從駕駛艙觀察外部環(huán)境的外部視景系統(tǒng)（XVS）。

5.3歐洲StratoFly項(xiàng)目準(zhǔn)備Ma8飛機(jī)的風(fēng)洞試驗(yàn)

2019年7月，歐洲“高速推進(jìn)概念的平流層飛行應(yīng)用”（StratoFly）項(xiàng)目正在為風(fēng)洞試驗(yàn)做準(zhǔn)備。該項(xiàng)目是在歐洲“地平線2020”計(jì)劃資助下啟動(dòng)的高超聲速民機(jī)技術(shù)驗(yàn)證項(xiàng)目，遠(yuǎn)景目標(biāo)是在2035年前將300座級(jí)高超聲速客機(jī)的技術(shù)成熟度等級(jí)提高到6級(jí)。StratoFly于2018年6月啟動(dòng)，周期兩年，經(jīng)費(fèi)預(yù)算為400萬(wàn)歐元，重點(diǎn)聚焦推進(jìn)系統(tǒng)集成、熱結(jié)構(gòu)、熱管理等技術(shù)開(kāi)展研究。此外，該項(xiàng)目也要研究燃油效率、噪聲、排放、壽命周期成本、安全性、適航取證等頂層問(wèn)題。

6啟示建議

通過(guò)總結(jié)分析2019年度國(guó)外民機(jī)總體氣動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，梳理出以下幾點(diǎn)值得關(guān)注的研究領(lǐng)域：一是傾向于探索電推進(jìn)飛機(jī)概念，在飛機(jī)總體概念研究領(lǐng)域，包括波音公司、空中客車公司在內(nèi)的傳統(tǒng)航空巨頭以及多家創(chuàng)業(yè)企業(yè)在內(nèi)的制造商，以及NASA、DLR等國(guó)家級(jí)航空研究機(jī)構(gòu)均開(kāi)展了關(guān)于電推進(jìn)飛機(jī)的相關(guān)研究，多家企業(yè)已經(jīng)推出了新的產(chǎn)品或已進(jìn)入飛行驗(yàn)證階段。二是持續(xù)探索新型氣動(dòng)布局及氣動(dòng)技術(shù)，經(jīng)過(guò)幾十年的設(shè)計(jì)改進(jìn)，常規(guī)的機(jī)體設(shè)計(jì)技術(shù)和渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)在提高燃油效率方面的潛力越來(lái)越小，波音公司、空中客車公司等以及各大研究機(jī)構(gòu)已加快進(jìn)行新型氣動(dòng)布局及氣動(dòng)技術(shù)的研究。三是持續(xù)推進(jìn)超聲速民機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，對(duì)新一代綠色超聲速民機(jī)的研究，美國(guó)、歐洲、俄羅斯等紛紛提出各自的概念方案，在強(qiáng)調(diào)傳統(tǒng)民機(jī)安全性、舒適性、經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)的同時(shí)，均把綠色環(huán)保放在至關(guān)重要的位置。聲爆和油耗是制約民用超聲速飛行的兩大難題，以美國(guó)為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家不斷探索降低聲爆、油耗以及排放等方面的技術(shù)，已突破部分關(guān)鍵技術(shù)，獲得經(jīng)驗(yàn)積累。四是重視建模仿真技術(shù)和試驗(yàn)等基礎(chǔ)研究。仿真計(jì)算和試驗(yàn)已成為產(chǎn)品研制的兩大重要技術(shù)手段，兩者相互配合可為產(chǎn)品研制提供完美的數(shù)據(jù)信息，這也是產(chǎn)品研制未來(lái)發(fā)展的方向。

我國(guó)在相關(guān)領(lǐng)域也開(kāi)展了部分研究工作，但總體上看，與歐美等國(guó)家的民機(jī)技術(shù)還有一定差距，因此，我國(guó)應(yīng)參考借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)民機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及技術(shù)發(fā)展需求，制訂好我國(guó)的民機(jī)發(fā)展戰(zhàn)略和實(shí)施規(guī)劃，加快開(kāi)展電推進(jìn)飛機(jī)、城市空運(yùn)航空器、超聲速民機(jī)等關(guān)鍵技術(shù)和先進(jìn)概念的預(yù)先研究，持續(xù)探索新型氣動(dòng)布局及氣動(dòng)技術(shù)的節(jié)能、降噪、減排潛力，縮小與國(guó)外技術(shù)差距，為未來(lái)推出滿足市場(chǎng)需求、具有更優(yōu)性能和競(jìng)爭(zhēng)力的國(guó)產(chǎn)民機(jī)產(chǎn)品打好基礎(chǔ)。特提出以下幾點(diǎn)建議：

（1）在電推進(jìn)飛機(jī)概念研究方面，我國(guó)電動(dòng)飛機(jī)研發(fā)力量相對(duì)薄弱、研發(fā)項(xiàng)目少、研究的系統(tǒng)性和深度不夠、自主創(chuàng)新較少，基本上還處于跟蹤研究的階段。因此，建議在國(guó)家層面制定電動(dòng)飛機(jī)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，編制電動(dòng)飛機(jī)發(fā)展技術(shù)路線圖。引導(dǎo)市場(chǎng)和社會(huì)資源向國(guó)家的戰(zhàn)略重點(diǎn)有效聚集。其次，高度重視電動(dòng)飛機(jī)發(fā)展、提早布局，將電動(dòng)飛機(jī)列為專項(xiàng)研究計(jì)劃，加大研發(fā)投入力度，加快研發(fā)速度。再次，積極推動(dòng)電動(dòng)航空適航標(biāo)準(zhǔn)專業(yè)工作，加速電動(dòng)飛機(jī)中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)制定；同時(shí)積極參與美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）、EASA、SAE等國(guó)際、地區(qū)和國(guó)家組織的相關(guān)電動(dòng)飛機(jī)標(biāo)準(zhǔn)編制工作。

（2）持續(xù)挖掘新型氣動(dòng)布局及相關(guān)氣動(dòng)技術(shù)在節(jié)能、降噪、減排方面的潛力，并注重研究成果的可持續(xù)性和繼承性。國(guó)內(nèi)也針對(duì)新型飛機(jī)布局以及部分氣動(dòng)技術(shù)開(kāi)展了相應(yīng)的研究，但研究還比較分散，沒(méi)有成體系的研究成果。因此，我們應(yīng)在國(guó)家的大力支持下，由相應(yīng)的國(guó)家研究機(jī)構(gòu)牽頭，制定相應(yīng)的民機(jī)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃，引導(dǎo)各主機(jī)廠所、研究院校等有針對(duì)性地開(kāi)展新型氣動(dòng)布局及相關(guān)氣動(dòng)技術(shù)研究。

（3）有計(jì)劃地推進(jìn)民機(jī)超聲速技術(shù)攻關(guān)。20世紀(jì)90年代以來(lái)，新一代綠色超聲速民機(jī)再次成為世界航空界的研究熱點(diǎn)之一，我國(guó)在該技術(shù)領(lǐng)域也開(kāi)展了相應(yīng)的研究工作，并取得了一定的進(jìn)展，但以當(dāng)前的超聲速民機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)水平來(lái)衡量，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可承受的綠色超聲速飛行仍存在極大挑戰(zhàn)。因此，還需要繼續(xù)加大研究攻關(guān)力度，逐步突破超聲速民用飛機(jī)發(fā)展所面臨的各種技術(shù)難題，有力推動(dòng)航空科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展。

（4）加強(qiáng)民用飛機(jī)建模仿真等基礎(chǔ)技術(shù)研究。未來(lái)民機(jī)在綜合優(yōu)化、氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、飛控、電氣特性、能量管理等方面需要新的計(jì)算、分析、建模與仿真等工具的支撐，也需要諸如全機(jī)能量管理綜合試驗(yàn)、變體結(jié)構(gòu)試驗(yàn)、電推進(jìn)系統(tǒng)試驗(yàn)等全新的試驗(yàn)?zāi)芰Γ挥邢绕诨蛲浇ǔ上鄳?yīng)的生產(chǎn)工具體系，才能支撐關(guān)鍵技術(shù)更快更好突破，形成創(chuàng)新且自主可控的民機(jī)發(fā)展能力。建議加大我國(guó)科研生產(chǎn)工具體系的論證、研究和建設(shè)力度，逐步形成獨(dú)立自主的科研生產(chǎn)能力。

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（責(zé)任編輯王為）

作者簡(jiǎn)介

王妙香（1977-）女，碩士，研究員。主要研究方向：民機(jī)情報(bào)研究、預(yù)先研究和技術(shù)論證。

Tel：010-57827745

E-mail：avicwmx@163.com

Overview of Civil Aircrafts Aerodynamic Technology in 2019

Wang Miaoxiang*

Aviation Industry Development Research Center of China，Beijing 100024，China

Abstract： In 2019， the civil aviation industry has been constantly growing and developing. Steady progress has been achieved in aircraft aerodynamic technology， the new concept aircraft， new aerodynamic layout， the airframe drag reduction， noise reduction， supersonic low blasting technology， modeling and simulation technology， flow measurements technology. Part of the field has achieved tremendous progress. Electric aviation has become an important developing direction and research focus of future commercial aircraft. This paper summarizes the civil aircraft aerodynamic technology and puts forward some suggestions for the development of civil aviation technology in China， which has certain reference significance for the subsequent commercial aircraft planning and the development of the aviation electrification.

Key Words： aerodynamic technology； aerodynamic layout； supersonic； active flow control； aero electrification