未来航空空气动力学的发展(精)

未来航空空气动力学的发展

空气动力学的每一个新的发现或突破都会导致飞行器性能的提高和更新换代。第一次世界大战期间,俄国科学家茹科夫斯基提出的不可压翼型升力公式奠定了飞机设计的基础。第二次世界大战以来,高速空气动力学,包括可压缩空气动力学的理论和实验的研究成果(如面积律及后掠翼概念的提出,最终保证了X-1成功突破音障,并推动了一系列超声速飞行器的发展和更新换代。20世纪60年代至今的40多年间,由于分离流和漩涡动力学方面的研究成果以及脱体涡非线性空气动力学的应用,飞机的失速临界迎角和最大升力系数大大增加,从而使战斗机性能显著提高,实现了更新换代。同时在民机领域,超临界翼型、多种形式的前后缘襟翼和翼梢小翼等的应用也导致了民机的快速更新换代。

先分析一下F-22战斗机及第三代喷气式客机的性能及其相关先进气动技术。F-22,世界上第一种也是目前唯一一种投入使用的第四代超声速战斗机。它所具备的"超声速巡航、超机动性、隐身、可维护性"(即所谓的S4概念,也有资料将"短距起落"包含在内,称为S5成为第四代超声速战斗机的划代标准。超声速巡航的实质是通过先进的气动设计,大幅降低超声速零升阻力系数,提高超声速升阻比,结合大推力低油耗发动机,使飞机在不开加力的情况下实现长时间的超声速飞行。超机动性,主要就是指过失速机动性。良好的大迎角飞行品质和有效的控制手段是过失速机动性的两大基础,而这两大基础的技术依靠就是大迎角空气动力学和先进的控制系统。一般战斗机在迎角超过30°时就会产生俯仰发散、抖振、失速、不可控横航向运动等一系列问题,而F-22可以保持迎角在-40°~60°飞机的可控性,这都得益于其优良的气动布局。隐身性能,即低可探测性。据报道,F-22的雷达散射截面积(RCS沿主要方位约为0.08~0.065m2,这主要得益于先进隐身材料和气动隐身设计。F-22是通过以下方面在气动上实现上述性能的:

(1采用翼身融合体,带内部武器舱。

(2修改的菱形机翼,具有等弦长的全翼展前缘襟翼、等弦长副翼和襟副翼,这种机翼具有良好的结构效率,并可获得较大的内部油箱;相当大的机翼面积有利于飞机在短距起飞和着陆时具有良好的机动性;机翼后缘还可以遮蔽部分

机身的雷达反射。

(3选择四尾翼布局,包括倾斜的双垂尾、等弦长的方向舵、全动截尖菱形平尾,以保证其良好的机动性和在控制范围内提供必要的控制功率;V形尾翼的雷达反射截面积相对其他形式尾翼最小。

(4形状固定的S形超声速进气道,具有后掠的整流罩唇口、边界层抽吸及机外旁路系统和能够百分之百遮挡雷达波的相当长的扩压段。

(5脊形前体,具有良好的大迎角横航向稳定性,带有与雷达相容的机头、整体座舱盖和良好的飞行员视野(机头下视角15°。

(6截斜角的翼尖,便于安装各种天线。

(7所有结构外边缘角与机翼前缘或后缘平行。

在先进客机方面,当前的重点是增升减阻,提高巡航速度。波音777成为全球飞得最远的客机,不仅得益于其大量采用轻型复合材料和大推力低油耗发动机,更得益于采用了先进的高升阻比超临界层流翼型、优化的翼梢小翼、机翼机身结合处小的干扰阻力。

那么下一代航空器会有那些新的要求呢?首先在军用航空领域将会对战斗机的机动性和隐身性提出更高的要求,同时也期待微型单兵航空器和空天飞机能够派上战场;在民用航空领域,将会继续追求低成本通用航空,同时也会加紧超声速客机的研制和私人小型航空器的发展。而空气动力学在以下几个方面的进展将可能为这些航空器的发展扫清技术障碍。

一、湍流理论、涡结构、转捩和分离机制及主动涡控制技术

流动现象大致可以分为层流和湍流两大类。对层流的研究已经达到了相当成熟的阶段,而对湍流的研究则一直进展缓慢。虽然各国投入了大量的人力物力对其进行研究,也提出了很多的湍流理论,但没有一种理论能够解决所有的湍流问题,而且其背后的物理机理也不一定经得住推敲。19世纪初人们认为湍流是一种完全不规则的随机运动,因此雷诺(Reynolds首创用统计平均方法来描叙湍流运动。1937年泰勒(T aylor和冯·卡门(Von Kármán对湍流下过定义,认为湍流是一种不规则运动,它在流体流过固壁或相邻不同速度流体层相互流过时产生。后来欣策(Hinze在此基础上予以补充,说明湍流的速度、压强、温

度等量在时间与空间坐标中是随机变化的。从20世纪70年代初开始,很多人认为湍流并不是完全随机的运动,而是存在一种可以被检测和显示的拟序结构,也称大涡拟序结构。它的处理与随机的小涡结构不同,它在切变湍流的脉动生成和发展中起主导作用。但是人们对这个说法仍存在争议,有人认为这种大尺度结构不属于湍流的范畴,而有人认为这是湍流的一种表现形式。目前大多数人的观点是:湍流由各种大小和涡量的涡旋叠加而成,其中最大涡尺度与流动环境密切相关,最小涡尺度则由黏性确定;流体在运动过程中涡旋不断破碎、合并,流体质点轨迹不断变化;在某些情况下,流场做完全随机的运动,在另一些情况下,流场随机运动与拟序运动并存。现在人们总结湍流的特性如下:

不规则性或随机性。这是湍流的重要性质,从动力学的观点来看,湍流必定是不可预测的,研究湍流大多是用统计方法。

扩散性。这是湍流的另一个重要性质,湍流具有一种把一个地方的某个特性或者物质扩散到其他各处的性能,具有比分子运动强得多的扩散能力。

大雷诺数性质。湍流是一种在大雷诺数条件下才出现的现象,即非线性起主导作用,雷诺数越高,越容易出现湍流。

有涡性和三维性。湍流中充斥着大大小小的涡旋,湍流是以高频扰动涡为特征的有旋的三维(有时是准二维运动。

耗散性。湍流运动由于分子黏性作用要耗散能量,只有不断从外部供给能量,湍流才能维持。连续性。湍流是一种连续介质的运动现象,因此满足连续介质力学的基本规律,例如纳维尔-斯托克斯方程

相关性(记忆特性。湍流运动在不同的时刻或空间不同点上并不是独立的,而是有相互关联,但这种关联随着时间间隔或空间距离的增大而变小,最后趋近于零。

间歇性。这是近代湍流研究的重大发现之一,有内间歇和外间歇之分。前者系指充分发展的湍流场中某些物理量(特别是高阶统计量并不是在空间(或时间的每一点上都存在的,即有奇异性;后者指湍流区与非湍流区边界的时空不确定性,例如湍流边界层与外层之间的界面。间歇现象(尤其是内间歇的研究是目前湍流理论研究的前沿课题。

猝发与拟序结构。这也是近代湍流研究的重大发现。实验表明,在湍流混合

层和剪切湍流边界层中存在大尺度的相干结构和猝发现象,说明湍流不是完全无秩序、无内部结构的运动,这促使人们改变了对湍流的某些传统观念以上是湍流的一些基本特征,那么哪些流动属于湍流的范畴呢?说简单点,就是凡是有涡的流动就是湍流,例如圆柱绕流、机翼大迎角绕流、射流和背风区流动等复杂流动。而层流如何转捩为湍流、湍流分离、涡破裂、涡结构等问题则是困扰流体力学专家的问题,我们对于现代飞行器的复杂流动问题的研究则都是建立在经验的基础之上。

二、昆虫飞行动力学

昆虫的飞行是利用了翅膀的连续拍动并以此产生稳定涡驻留在其翅膀之上,由此产生升力和向前飞行的推进力。这不仅涉及到湍流领域,还涉及到低雷诺数空气动力学领域。雷诺数是惯性力与黏性力的比值,那么低雷诺数则表示黏性力与惯性力相当或黏性力比惯性力更大。人游泳时雷诺数可以达到1.0×105,而一架客机飞行时雷诺数可以达到1.0×105,那么大多数昆虫飞行时的雷诺数则处于

1.0×102~1.0×103,可以说昆虫在空气中飞行相当于人在油里面游泳。