塵囂

見識(shí)過嫁接花花草草，果樹枝丫，但將一架飛機(jī)的機(jī)翼截下來，再嫁接一段新機(jī)翼，這事兒可不多見。這不，在今年9月26日，一架嫁接了新機(jī)翼的A340客機(jī)就搞出了一個(gè)大新聞。這到底是怎么回事兒呢？

當(dāng)?shù)貢r(shí)間9月26日，空中客車生產(chǎn)的第一架A340-300 飛機(jī)在法國(guó)南部城市塔布實(shí)現(xiàn)了其飛機(jī)生涯中的第二個(gè)首飛，之所以將這次飛行也叫做首飛，是因?yàn)樗闹饕韮啥思藿恿巳略O(shè)計(jì)的層流機(jī)翼，該型機(jī)翼計(jì)劃使未來的短途民用客機(jī)減少8%的飛行阻力和5%的油耗及碳排放。A340層流機(jī)翼的升空標(biāo)志著BLADE（刀鋒）項(xiàng)目從理論計(jì)算走到了實(shí)際試飛階段。BLADE項(xiàng)目是歐洲“清潔天空”計(jì)劃中的一項(xiàng)，BLADE是“Breakthrough Laminar Aircraft Demonstrator in Europe”的縮寫，意為“歐洲創(chuàng)新性層流飛機(jī)驗(yàn)證機(jī)”。未來，這架飛機(jī)還將進(jìn)行約150小時(shí)的飛行測(cè)試，充分驗(yàn)證層流機(jī)翼對(duì)飛行效率、飛行品質(zhì)等因素的影響。

層流機(jī)翼是什么？

層流（Laminar Flow），是流體的一種狀態(tài)。在迎角等其他工況相同時(shí)，當(dāng)流速很小時(shí)，流體分層流動(dòng)，互不混合，稱為層流，或片流。隨著流速增大，流體的流線開始出現(xiàn)波浪狀擺動(dòng)，擺動(dòng)頻率和振幅隨流速的增加而增加，這種流況稱為過渡流。當(dāng)流速繼續(xù)增大，流線不再清晰可辨，流場(chǎng)中出現(xiàn)許多小漩渦，此時(shí)稱為湍流，或紊流、亂流。流體的這種變化可以在計(jì)算研究中量化。機(jī)翼層流，是指飛機(jī)機(jī)翼表面流體微團(tuán)的軌跡沒有明顯不規(guī)則脈動(dòng)的氣流，流速增大后，氣流會(huì)首先在機(jī)翼后緣發(fā)生擾動(dòng)形成湍流，湍流中的流體微團(tuán)會(huì)與機(jī)翼產(chǎn)生較大的摩擦阻力，速度越大，湍流形成的位置越靠前，摩擦阻力就會(huì)越大。

層流機(jī)翼，即充分利用氣體層流效應(yīng)設(shè)計(jì)的翼型。與大多數(shù)機(jī)翼橫截面上彎下平的設(shè)計(jì)不同，層流翼的上下翼面均彎曲凸起（上方比下方略凸），其最大凸起處為弦長(zhǎng)的50%處，而最前方相對(duì)較薄，此種設(shè)計(jì)能減少流經(jīng)翼面的湍流，減少空氣阻力，進(jìn)而加快飛機(jī)速度和減少耗油量；層流翼的缺點(diǎn)是在低速時(shí)產(chǎn)生的升力較一般機(jī)翼小，這可能也是空客選擇擁有4臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的A340進(jìn)行該試驗(yàn)的原因。簡(jiǎn)單地說，層流機(jī)翼就是通過延后上表面氣流從層流變成湍流的位置，以減少湍流帶來的空氣與蒙皮摩擦阻力的翼型。

眾所周知，飛機(jī)飛行時(shí)受到的空氣阻力有4大類，分別是摩擦阻力、壓差阻力、誘導(dǎo)阻力和附加阻力。這里說到改變翼型，我們很容易想到翼稍小翼對(duì)阻力的影響，其實(shí)，翼梢小翼減少的是誘導(dǎo)阻力，和今天所說的層流機(jī)翼沒有關(guān)系。

研究層流翼型涉及更多的問題當(dāng)屬摩擦阻力，有研究表明，采用層流翼和層流發(fā)動(dòng)機(jī)短艙設(shè)計(jì)可以減少30%的摩擦阻力。當(dāng)同一股流體流經(jīng)物體表面時(shí)，后方的湍流摩擦阻力要比前方的層流摩擦阻力大90%甚至更多，而且后方流體流速也會(huì)迅速降低，這也是很多戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道口有附面層隔板的原因，要濾掉緊貼機(jī)身蒙皮的那層混亂氣流。因此，設(shè)計(jì)一款層流機(jī)翼，就需要在增加機(jī)翼表面光潔度和縮小弦長(zhǎng)這兩個(gè)方面下功夫，前者是為了降低摩擦阻力，后者為了降低抑制湍流產(chǎn)生的難度。那么，層流機(jī)翼設(shè)計(jì)真的很難么？

目前，自然層流（NLF）機(jī)翼已經(jīng)在一些中小型飛行器，如本田噴氣公務(wù)機(jī)、“全球鷹”無人機(jī)以及滑翔機(jī)上成功使用，本田公務(wù)機(jī)甚至將NLF設(shè)計(jì)原則應(yīng)用在機(jī)頭，與湍流機(jī)頭相比阻力降低了約10%。此外，二戰(zhàn)時(shí)期的著名戰(zhàn)機(jī)P-51“野馬”也是層流翼型，看來層流效應(yīng)在小個(gè)頭的飛機(jī)上容易實(shí)現(xiàn)。大型民用客機(jī)由于飛行雷諾數(shù)較大，飛機(jī)表面實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的自然層流比較困難，自然層流技術(shù)仍處于探索之中，自然層流機(jī)翼，這就是空客，以及其他20個(gè)合作伙伴共同研究的課題。

刀鋒機(jī)翼什么樣？

經(jīng)過多年的理論研究與風(fēng)洞試驗(yàn)，“刀鋒”項(xiàng)目終于在今年9月底被這架A340-300帶上了天。除了安裝層流機(jī)翼，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)還在A340的垂尾頂部和翼尖安裝了設(shè)備艙，用來監(jiān)視、記錄層流翼的流場(chǎng)狀態(tài)?？湛头Q，這架“刀鋒”A340是歐洲尺寸最大的飛行試驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)。

為什么要研究探索層流機(jī)翼？空客研發(fā)部主管阿克塞爾·弗萊格解釋說，近50年民用飛機(jī)的單座油耗每千米降低了約7%，這主要是通過使用新型發(fā)動(dòng)機(jī)、新型輕質(zhì)材料和先進(jìn)的制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，這些方面的探索已經(jīng)接近瓶頸，下一步將從更加細(xì)微的摩擦阻力尋求效率提升空間。

弗萊格稱，解決機(jī)翼摩擦阻力的理論探索已經(jīng)進(jìn)行了多年，但在實(shí)際設(shè)計(jì)中卻沒有太多應(yīng)用，這是因?yàn)閷恿鲗?duì)小的擾動(dòng)十分敏感，要求機(jī)翼截面的設(shè)計(jì)偏差率極低，且要求表面具有極強(qiáng)的抗污染能力。但隨著技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在已經(jīng)有了成熟的工業(yè)方案解決這些問題，是時(shí)候?qū)⑦@些方案拿上飛機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)了。

這架用于改裝的A340飛機(jī)的機(jī)翼從最外側(cè)兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)位置被截掉，長(zhǎng)度約為翼展的1/3。新嫁接上的層流機(jī)翼分別是來自薩博公司設(shè)計(jì)的整體式復(fù)合材料試驗(yàn)段（左翼）和GKN公司設(shè)計(jì)的分離式前緣和上表面金屬試驗(yàn)段（右翼），以分別測(cè)試自然層流效果。翼尖吊艙和垂尾頂艙內(nèi)的紅外攝像機(jī)還可以精確記錄飛行中層流與湍流之間的轉(zhuǎn)捩位置與狀態(tài)。轉(zhuǎn)捩是流體力學(xué)名詞，指流體層流到湍流的過度，轉(zhuǎn)捩點(diǎn)的計(jì)算和預(yù)估是設(shè)計(jì)飛行器的關(guān)鍵前提。

“刀鋒”項(xiàng)目測(cè)試的是機(jī)翼自然層流的效果。自然層流轉(zhuǎn)捩，即沒有其他因素干擾時(shí)的層流轉(zhuǎn)捩，與之相對(duì)的是分離流轉(zhuǎn)捩和旁路轉(zhuǎn)捩，后兩者是通過改變翼型或通過引入其他流體改變?cè)械膶恿鬓D(zhuǎn)捩，典型的例子是通過機(jī)翼前緣吹氣或加裝擾流片改變機(jī)翼表面的流場(chǎng)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)增升減阻的效果。但與層流機(jī)翼設(shè)計(jì)相比，那些都是較為宏觀的設(shè)計(jì)優(yōu)化方案。

為什么采用兩種不同的層流機(jī)翼試驗(yàn)段？眾所周知，為提升飛機(jī)在低速狀態(tài)下的升力表現(xiàn)，除了后緣襟翼，飛機(jī)還有前緣襟翼，這牽扯到復(fù)雜的作動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)，兩段蒙皮之間細(xì)小的縫隙也會(huì)對(duì)層流產(chǎn)生很大的影響?？湛驮谠缙诘睦碚撛囼?yàn)與設(shè)計(jì)總結(jié)中也得知，機(jī)翼表面的曲線設(shè)計(jì)與光潔度等對(duì)層流效果影響巨大，需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與空氣動(dòng)力學(xué)兩者之間尋求平衡點(diǎn)。這就是右側(cè)使用分離式前緣層流機(jī)翼的目的。

清潔天空怎么做？

作為歐洲“清潔天空”計(jì)劃的項(xiàng)目之一，空客與其他合作伙伴計(jì)劃在2018年底完成“刀鋒”飛機(jī)的所有試飛工作，雖然該項(xiàng)目此前已有一些拖延。在計(jì)劃150個(gè)飛行小時(shí)的試飛中，試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)將對(duì)層流機(jī)翼的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和評(píng)估，同時(shí)結(jié)合地面模擬機(jī)，對(duì)飛機(jī)操縱品質(zhì)和飛行包線進(jìn)行探索，特別是對(duì)低速狀態(tài)下的飛行性能進(jìn)行拓展。

“清潔天空”是歐盟委員會(huì)在2007年6月提出的一項(xiàng)航空環(huán)保計(jì)劃，旨在通過改善飛機(jī)的燃油系統(tǒng)等舉措，降低飛機(jī)的噪聲和溫室氣體排放，減少航空運(yùn)輸對(duì)環(huán)境的影響，從而建立一個(gè)具有創(chuàng)新力和競(jìng)爭(zhēng)力的歐洲航空運(yùn)輸體系?！扒鍧嵦炜铡庇?jì)劃首批技術(shù)項(xiàng)目涉及6個(gè)領(lǐng)域中的72項(xiàng)研究課題，這6個(gè)領(lǐng)域包括綠色支線飛機(jī)、綠色旋翼飛機(jī)、綠色發(fā)動(dòng)機(jī)、智能固定翼飛機(jī)、綠色運(yùn)行系統(tǒng)和航空生態(tài)設(shè)計(jì)。層流機(jī)翼就屬于智能固定翼飛機(jī)領(lǐng)域。

“清潔天空”計(jì)劃從2007年起，已經(jīng)在2013年完成了第一階段的基礎(chǔ)理論研究與探索，2014年，預(yù)算總額高達(dá)40億歐元的第二階段正式實(shí)施，第二階段作為一個(gè)公私合作的項(xiàng)目，分別從業(yè)內(nèi)和歐盟獲得60%和40%的資金支持。

在第二階段的“清潔天空”計(jì)劃中，另一個(gè)十分受關(guān)注的課題是開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的研究。開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)早在上世紀(jì)80年代就有成品問世，其中以通用電氣公司的GE36最為知名。開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)比常規(guī)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)油20%～30%，但劣勢(shì)是噪聲巨大，因此目前僅有對(duì)噪聲水平要求較低的軍用運(yùn)輸機(jī)安-70使用。在該計(jì)劃中，發(fā)動(dòng)機(jī)制造商賽峰集團(tuán)承擔(dān)起了開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的研究，并在2016年完成了大部分組件的制造工作。遺憾的是，今年8月，歐洲“清潔天空”發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目官員簡(jiǎn)弗朗索瓦證實(shí)，歐盟已經(jīng)擱置由法國(guó)賽峰發(fā)動(dòng)機(jī)公司研發(fā)的對(duì)旋開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)演示機(jī)項(xiàng)目，這意味著未來商業(yè)上可用的開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)可能還要等上幾十年，這對(duì)燃油節(jié)約概念的支持者是一個(gè)巨大的打擊。

作為航空運(yùn)輸中重要的組成元素，綠色發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目的擱淺對(duì)清潔天空計(jì)劃第二階段定下的目標(biāo)肯定會(huì)有一定打擊，特別是二氧化碳排放量減少75%這類雄心勃勃的目標(biāo)。這還會(huì)使在整個(gè)計(jì)劃中起主導(dǎo)作用的空客公司，在第二階段中重點(diǎn)建立新型航空動(dòng)力系統(tǒng)及其與飛機(jī)機(jī)體整合的研究平臺(tái)受到影響，這項(xiàng)工作的原計(jì)劃包括在一架A340飛機(jī)上安裝一臺(tái)開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，以及制造一架動(dòng)力系統(tǒng)與飛機(jī)機(jī)身后部融合的驗(yàn)證機(jī)。

飛行不易，安全、綠色的飛行更加困難。但是就有一群人，為了公眾的利益，為了子孫后代的利益，用智慧改變著我們生活的世界。A340嫁接機(jī)翼，嫁接的不僅是一塊層流機(jī)翼那么簡(jiǎn)單，而是想通過每架飛機(jī)再減少5%的排放，帶給世界多一點(diǎn)清新與綠色?？茖W(xué)研究也從來不是一帆風(fēng)順，“刀鋒”計(jì)劃有拖延，開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目擱淺，人們還需要面對(duì)很多，腳踏實(shí)地地做，讓嫁接的機(jī)翼早日在未來天空結(jié)出燦爛的果實(shí)。

責(zé)任編輯：陳肖