空中客車A340嫁接一段新機翼？這到底是怎么回事兒呢？

時間：2017-12-22 09:55來源：中國航空網 作者：中國航空

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

當?shù)貢r間9月26日，空中客車生產的第一架A340-300 飛機在法國南部城市塔布實現(xiàn)了其飛機生涯中的第二個首飛，之所以將這次飛行也叫做首飛，是因為它的主翼兩端嫁接了全新設計的層流機翼，該型機翼計劃使未來的短途民用客機減少8%的飛行阻力和5%的油耗及碳排放。A340層流機翼驗證機的升空標志著BLADE（刀鋒）項目從理論計算走到了實際試飛階段。BLADE項目是歐洲“清潔天空”計劃中的一項，BLADE是“Breakthrough Laminar Aircraft Demonstrator in Europe”的縮寫，意為“歐洲創(chuàng)新性層流飛機驗證機”。未來，這架飛機還將進行約150小時的飛行測試，充分驗證層流機翼對飛行效率、飛行品質等因素的影響。

嫁接機翼的A340完成了其生涯的第二個首飛

層流機翼是什么？

層流（Laminar Flow），是流體的一種狀態(tài)。在迎角等其他工況相同時，當流速很小時，流體分層流動，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，擺動頻率和振幅隨流速的增加而增加，這種流況稱為過渡流。當流速繼續(xù)增大，流線不再清晰可辨，流場中出現(xiàn)許多小漩渦，此時稱為湍流，或紊流、亂流。流體的這種變化可以在計算研究中量化。機翼層流，是指飛機機翼表面流體微團的軌跡沒有明顯不規(guī)則脈動的氣流，流速增大后，氣流會首先在機翼后緣發(fā)生擾動形成湍流，湍流中的流體微團會與機翼產生較大的摩擦阻力，速度越大，湍流形成的位置越靠前，摩擦阻力就會越大。

層流機翼，即充分利用氣體層流效應設計的翼型。與大多數(shù)機翼橫截面上彎下平的設計不同，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的50%處，而最前方相對較薄，此種設計能減少流經翼面的湍流，減少空氣阻力，進而加快飛機速度和減少耗油量；層流翼的缺點是在低速時產生的升力較一般機翼小，這可能也是空客選擇擁有4臺發(fā)動機的A340進行該試驗的原因。簡單地說，層流機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，飛機飛行時受到的空氣阻力有4大類，分別是摩擦阻力、壓差阻力、誘導阻力和附加阻力。這里說到改變翼型，我們很容易想到翼稍小翼對阻力的影響，其實，翼梢小翼減少的是誘導阻力，和今天所說的層流機翼沒有關系。

研究層流翼型涉及更多的問題當屬摩擦阻力，有研究表明，采用層流翼和層流發(fā)動機短艙設計可以減少30%的摩擦阻力。當同一股流體流經物體表面時，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迅速降低，這也是很多戰(zhàn)斗機發(fā)動機進氣道口有附面層隔板的原因，要濾掉緊貼機身蒙皮的那層混亂氣流。因此，設計一款層流機翼，就需要在增加機翼表面光潔度和縮小弦長這兩個方面下功夫，前者是為了降低摩擦阻力，后者為了降低抑制湍流產生的難度。那么，層流機翼設計真的很難么？

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

刀鋒機翼什么樣？

經過多年的理論研究與風洞試驗，“刀鋒”項目終于在今年9月底被這架A340-300帶上了天。除了安裝層流機翼，項目團隊還在A340的垂尾頂部和翼尖安裝了設備艙，用來監(jiān)視、記錄層流翼的流場狀態(tài)。空客稱，這架“刀鋒”A340是歐洲尺寸最大的飛行試驗驗證機。

為什么要研究探索層流機翼？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)動機、新型輕質材料和先進的制造技術實現(xiàn)的，這些方面的探索已經接近瓶頸，下一步將從更加細微的摩擦阻力尋求效率提升空間。

弗萊格稱，解決機翼摩擦阻力的理論探索已經進行了多年，但在實際設計中卻沒有太多應用，這是因為層流對小的擾動十分敏感，要求機翼截面的設計偏差率極低，且要求表面具有極強的抗污染能力。但隨著技術的進步，現(xiàn)在已經有了成熟的工業(yè)方案解決這些問題，是時候將這些方案拿上飛機進行試驗了。

這架用于改裝的A340飛機的機翼從最外側兩臺發(fā)動機位置被截掉，長度約為翼展的1/3。新嫁接上的層流機翼分別是來自薩博公司設計的整體式復合材料試驗段（左翼）和GKN公司設計的分離式前緣和上表面金屬試驗段（右翼），以分別測試自然層流效果。翼尖吊艙和垂尾頂艙內的紅外攝像機還可以精確記錄飛行中層流與湍流之間的轉捩位置與狀態(tài)。轉捩是流體力學名詞，指流體層流到湍流的過度，轉捩點的計算和預估是設計飛行器的關鍵前提。