先进气动布局技术
先进气动布局技术
为实现先进的气动性能和战术技术指标要求，对飞机气动设计中主要参数进行的综合性选择和规范。
气动布局的研究对象是主要气动参数（如升力、阻力、力矩系数和其它气动导数）以及主要气动参数与飞机外形参数的关系。研究的内容包括：飞机各主要部件的外形和相对配置，各种外形和配置下飞机的气动特性；此外，由于很多气动技术对飞机部件外形和配置的选择有很大影响，所以较重大的气动技术是气动布局研究的重要内容和基础。
气动布局的研究范围很广，大到飞机总体布局的类型和参数，小到机翼剖面外形、前后缘襟翼这类气动技术，都对飞机气动布局的选择和确定以及最终的飞机性能有根大影响。 [相关技术]总体设计；机翼设计；综合设计 [技术难点] 飞机设计的历史有一个由简单到复杂、由粗略到精确、由单一到综合的发展过程。飞机气动布局的设计也是如此。目前，由于第四代战斗机性能的板荷要求，航空说型、气动技术和气动手段的迅速发展，使得气动布局正处在一个性能、设计方法和设计手段的飞跃阶段，这就决定了当代气动布局设计具有如下特点和趋势：
1、对飞机性能的追求和航空流型的发展使气动布局设计走向高度复杂化
在附着流型范围内，飞机的迎角狠小，流场基本上满足位流条件，只要加上边界层修正就足够了，飞机的运动用传统的线化理论就足以描述。在定常脱体涡范围内，飞机的迎角增大，出现了非线性的涡升力，流场变得较复杂，涉及到涡的形成、发展和破裂等现象，线化的气动导数已不足以描述飞机的大迎角特性。而当代对非定常脱体涡流型的开发将使飞机气动布局没计进入异常复杂的非定常、非线性领域。对飞机性能的要求使飞机气动布局设计高度复杂化。如第二代战斗机追求高空高速，第三代战斗机追求右机动性，而第四代战斗机则要求具备隐身、超音速巡航、过失速机动性和敏捷性。这此要求是相互牵制、甚至是相互矛盾的，要将这些要求融于一体，在气动布局的选择和设计上将是一个非常复杂的过程。
2、综合化设计是气动布局发展的必然趋势和势在必行的要求
传统的气动布局设计基本上是以机翼为主，加上平尾、垂尾和机身等几个主要部件，简单地组合在一起，通过相对配置和大小的选择达到设计要求。这种设计方式直到第二代战斗机都是如此。从第三代战斗机开始，采用了一些气动布局的局部综合设计技术，如翼身融合、前机身与进气道相互干扰，后机身与喷管相互干扰等。这些技术的采用大大提高了飞机的性能和机动性。但对第四代战斗机来说，综合化设计不仅仅是提高一些性能，而是没有综合设计能力就实现不了预定的目标。现代气动布局的综合化表现在两个方面：第一，各种先进的气动力技术可供采用，需要根据特定的性能目标（如隐身、超音速巡航、过失速机动性和敏捷性），进行综合性的选择和优化，并且这种优化不是过去那种某些局部的优化，而是对飞机整体外形的优化，才可能满足性能目标对气动布局的基本要求；第二，气动布局与结构强度、动力装置及进排气系统、目标特征（隐身外形）、控制系统等的综合设计不可避免。例如，隐身特性的要求就需要对气动布局和雷达反射特性进行综合和优化；超音速巡航则要求对气动布局与进排气系统进行一体化设计；矢量推力技术要求气动布局与动力系统和控制系统进行一体化设计；气动弹性剪裁技术则要求气动-结构材料的一体化设计等等。这些综合设计能力是实现设计目标的基本保证。
3、高精度定量化是气动布局设计目标的要求和设计手段的革命
由于对飞机性能要求越来越高，每个新的研制项目所需的经费和时间已大大增长，研制的风险也越来越大。倘若达不到设什目标，损失也将比过去大得多。这就要求气动布局设计必须在飞机研制的早期阶段提供比过去数量大得多、精度高得多的数据，以避免在后阶段更改设计所造成的巨大损失。另一方面，飞机性能的极高要求使得整个飞机外形的几乎每一个局部都需要进行细致的设计，以挖掘潜力来满足设计目标的要求。只有高精度定量化的设计手段才能够实现这种全面细致的设计。
计算空气动力学及其与地面试验、飞行试验的结合，是气动布局手段革命的主要来源和动力，也是实现气动综合优化设计的前提。尽管地面试验设备的模拟能力仍在不断提高，但真正给设计手段带来革命的是数值模拟。对未来气动设计来说，数值模拟所占的最佳比例约为70%，地面试验设备摸拟的比例约为30％，这样的比例是气动设计最佳效费比决定的，也因不同类型的飞机和任务要求而有所不同。目前，航空先进国家的数值摸拟比例达到40％左右。 [国外概况] 冷战时期，前苏联的先进气动布局技术与美国并驾齐驱，如Su-27依靠优良的气动布局设计，使其气动性能超过了美国的第三代战斗机。但冷战后，俄罗斯由于经济上的原因，新技术的发展十分缓慢，第四代战斗机迟迟出不来，明显已落后于美国。而美国气动力技术的发展却未见减缓，仍然保持着冷战时的高速发展态势，不但第四代战斗机F-22和JSF都已研制出来，而且已开始着手发展下一代战斗机的气动力和先进气动布局技术。因此，目前美国在气动布局技术方面处于领先地位。西欧则稍稍落后于美俄，保持着较高水平，又以其体现多用途的战斗机气动布局而独具特色，如EF-2000和法国的"阵风"。
美国空军认为，虽然近年来在提高战斗机机动能力的先进气动布局方面作了一些工作，隐身气动设计和隐身能力也得到很大提高，但他们确实忽视了先进气动布局的研究和发展。在轰炸机方面，B-2的飞翼布局是40年代和50年代提出的概念的现代翻版。随着现代计算流体力学的进展和流动控制技术的提高，先进气动布局研究有可能获得新生。今后先进气动布局研究主要沿着如下两个方向：
第一，对过去提出的方案进行系统化研究。对亚音速飞机，这些方案包括带支撑机翼、翼身融合体、环翼、多机身飞机等。对超音速飞机，通过有利干扰降低阻力的布局已经提出但尚未进行系统的研究。这些方案过去都曾提出但没能研究下去，原因包括：设计工具和数据库不合适，稳定性和控制问题（现在可以成功地与现代结构和控制技术一起考虑），缺乏总体发展和实际验证。
第二，全新的布局概念研究，尤其是同时利用流动控制技术和现代结构和控制概念的布局研究。这些概念可能包括：带嵌入式层流控制吸气系统的复合材料机翼蒙皮；用于控制旋涡和边界层的机敏蒙皮；将层流控制、推进和结构设计综合在一起的翼型；其它等等。由于计算流体力学提供了探索和预测有利非线性干扰效应的能力，并且有了旋涡、粘流效应和分离的控制技术，全新气动布局概念的潜力是可以发挥的。
未来先进气动布局研究必须沿着多学科的路线进行。新布局的早期方案研究必须考虑推进一体化以及结构和控制方案。设计一体化技术的发展将使新方案的快速分析成为可能。
涉及先进气动布局的研究计划将为飞机性能的提高开创新的可能性，也许能开发出新的应用。不仅如此，这样的研究计划对诸如流动控制、设计方法和多学科综合这样的基础领域的研究来说，还将起到指南的作用，从而使先进气动布局的所有支撑技术能够同时成熟。从这一点来看，先进气动布局将重新发挥其作为气动技术推动力的作用。
美国90年代中期进行了"新世界展望"（New World Vistas）和"2025年的空军"（AF 2025）等对未来军事技术的预测研究，其研究结果最近已经过综合，并开始在美国空军的"航空器科学技术"（Air Vehicles S&T）的范围内进行技术开发。1997年，美国空军启动"未来飞机技术提高计划"（FATE），目的是发展革命性的技术，为下一代战斗机打下技术基础，为美国提供21世纪的空中和空间优势。FATE计划分为三个阶段，每个阶段的结束时间为别为2003、2008和2013年。FATE计划中最主要的计划项目是"固定翼飞行器技术发展途径一体化产品队伍"（Fixed Wing Vehicle（FWV） Technology Development Approach（TDA） Integrated Product Team (IPT).），简称为FWV。参与这一计划的有空军、海军、国防部高级研究计划局（DARPA）、NASA、学术界和工业界。FWV计划第二阶段（2008年）的气动发展目标（相对于F-22和F-18E/F）为：
A、巡航阻力降低12%；
B、机动升阻比提高15%；
C、带武器载荷航程提高35%；
D、着陆进场升力系数提高25%；
E、喷管重量降低35%；
F、喷管采办费用降低35%；
G、进气道重量/体积降低50%；
H、气动设计周期缩短60%。
I、起飞距离缩短12%
由此可见，气动技术不仅发展潜力巨大，而且是未来先进航空武器系统研制所不可缺少的重要前提技术。
97年6-10月FATE计划已完成了对第一阶段任务的评审，内容包括技术选择、技术收益、经济可承受性等方面的定性和定量研究，确定了技术计划安排等。洛克希德-马丁公司、波音公司信息及空间和防务系统集团、波音公司幻影工作组各提供了一份第一阶段最终评估报告。这三份报告不仅提出了许多新的技术，而且初步选出了适用于未来固定翼飞机和无人战斗机的高效费比技术。其中气动技术仍然占据着主导地位，如洛克希德-马丁公司选择研究的五项重点技术（紧凑型进气道、保形流体性喷管、无尾布局、连续的气动控制面、Lambda机翼）几乎都是以气动技术为主导的；波音公司幻影工作组进行性能和可承受性分析的气动技术包括：
1、无尾布局；
2、先进机翼平面形状；
3、流动控制（MEMS，微机电）；
4、主动流动控制（非MEMS）；
5、排气系统（流体性矢量喷管）；
6、一体化外部武器挂架；
7、紧凑进气道系统/进气道-气动结构一体化；
8、一体化内部挂架；
9、小展弦比机翼的层流控制；
10、可展式燃油箱；
11、气动综合工具；
12、风洞试验生产率。
在经过针对未来固定翼飞机和无人战斗机的定量研究后，性能和可承受性综合得分排名前10位的所有技术中有5项是气动或以气动为主的技术，这5项技术的总投资约需5000万美元，已投资约2700万美元。预定于2003年达到技术6级，即完成第一阶段任务。
美国空军研究的这些气动技术代表了未来军用飞机（主要是战斗机）的气动技术发展方向，并且将给军用飞机带来显著的性能收益和其它收益（包括研究费用、周期等）。
在民机方面，目前的大型民机的升阻比为20左右。据美国估计，21世纪亚音速民航机的升阻比可以比目前提高一倍，达到40。支撑技术主要是先进的气动布局，如前面所述的带支撑机翼、翼身融合体、环翼、多机身飞机等。各种层流控制和湍流减阻技术也将发挥极大的作用。 [影响] 先进气动布局是气动技术的核心，是空气动力学研究成果的集中体现和转化为生产力的关键环节。每一代新型飞机（尤其是战斗机）的出现，无不以先进气动布局的新突破为主要特征之一。
现代先进气动布局设计已成为一项高度复杂、高精度定量化的综合性技术。首先，现代飞机要求超音速巡航、过失速机动性和敏捷性以及隐身能力，这些复杂的、彼此矛盾的要求组合在一起，对气动布局设计提出了严峻挑战。各种跨学科的综合分析和设计技术是必须解决的重大难题。其次，先进的单项气动力技术不一定堆出好的飞机，还要依靠先进气动布局设计才能获得优良的性能。典型的例子如前苏联的Su-27，其单项气动力技术并不是最先进的，但经过气动布局综合优化设计，使苏-27在气动性能方面达到了第三代战斗机的顶峰。
最能体现现代先进气动布局设计的是美国的F-22，它成功地将隐身外形设计技术、低的超音速波阻技术、大迎角气动力技术、非定常前体涡控制技术等融于一体，达到了气动性能。
但先进气动布局的发展取决于流动控制、设计方法和试验设施领域的发展。例如，流动控制技术可以用来实现有利的无粘干扰效应所预计的流场；设计方法在解决粘性效应精度上的改进可以避免传统气动布局再出现C-17设计中的错误，并且这种改进对由有利和不利流动现象控制所确定的先进气动布局来说是势在必行的；试验设施和模拟能力。此外，基本物理现象的研究对先进气动布局的发展也是十分重要的。 |
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2003-2-26 16:46:39
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