高升力與低能耗可兼得

任嘉

以往，航空界認為在提高飛機飛行性能的同時，還要降低能耗的想法是不現實的，即“魚和熊掌，二者不可兼得”。事實上，現在美國國家航空航天局（NASA）經過其研究成果證明：“二者可以兼得”。

解決這個問題之道是如何設計出一種新型機翼。這種機翼要求能夠在起飛和著陸時提供高升力，并且仍然保持良好的高空飛行性能，實現被稱為“層流”的概念，也就是使機翼周圍的氣流絕對平穩。

節能減排目標

實現這一目標將能夠使飛機在整個飛行過程都能夠表現出良好的性能，反過來，也能夠大大降低燃料消耗量，降低運營成本，減少發動機的有害排放物。在弗吉尼亞州的蘭利研究中心，NASA固定翼項目科學家里奇·沃爾斯說：“這項重要工程是NASA全體同仁努力探索和開發的技術的一部分，如果開發成功，則能夠革命性地改善未來大型飛機的性能，降低燃料消耗量、降低噪聲、減少排放物”。

在飛機起飛和著陸過程中，由于襟翼和縫翼從機翼的前后伸展開而產生高升力，這使得層流極其不穩，而襟翼和縫翼在飛機飛行期間收縮進主翼之后，在機翼的表面只留下很小的臺階和縫隙。

機翼平滑表面中存在這一些流體因素，使空氣在流過機翼周圍時產生一定量的紊流。這種紊流增加了飛機阻力，以致削弱了飛行效率。

在加利福尼亞州艾姆斯研究中心，NASA固定翼項目的氣動效率分項目技術主管邁克·羅杰斯說：“固定翼飛機在起飛和降落階段需要有高升力，而當前任務是解決怎樣才能使飛機在飛行期間仍然能夠保持穩定的層流?！?/p>

試驗中的兩種方案

為了幫助解決這個難題，NASA與諾斯羅普·格魯門公司的一個小組合作，共同致力于研制一款用于層流機翼的先進高升力前緣系統，開發并測試兩種方案，這兩種方案可能會有助于解決這個難題，并且可能在2030年納入未來客機設計飛行中。

第一種方案是設計一款已經證明在飛行期間具有一種規則、表面可傳導層流的機翼段，但是，通常情況下，從前緣延伸的縫翼在起飛和降落期間不會提供高升力。反之，空氣將會在機翼前緣周圍高速流動，人為地產生高升力。噴氣式發動機將會釋放壓縮空氣，通過靠近機翼前端的小槽口把機翼內的壓縮空氣通過管道排放出去。

飛機的前沖力造成機翼周圍有空氣流過，當這些氣流與流過機翼的釋放空氣發生相互作用時，縫翼將會產生額外的升力，該過程被稱為“主動流動控制”。機翼后邊緣也利用“主動流動控制”，從而有可能不必再使用飛機上常見的機械結構復雜的開縫襟翼，而改為使用一種更簡潔的鉸接襟翼。

蘭利研究中心負責“先進高升力前緣研究”的NASA技術總監說：“讓我們感到振奮的是：為了獲得飛機起降所需的高升力，我們已經利用“主動流動控制”技術取代活動縫翼和機械結構復雜的襟翼，并且，如果利用這項方法，有可能使飛機在飛行中保持穩定的層流。”

第二種方案是：利用在飛行中目前相對具有良好層流的相同機翼段對機翼進行測試，通過使機翼的前緣下降（事實是通過前緣發生變形），檢查機翼是否能夠完美地改變形狀。

機翼的變形前緣將能夠產生與縫翼相同的高升力作用。如同第一種方案所述，為進一步增強高升力的能力，第二種方案也考慮使用縫翼吹氣。在機翼前側的縫翼不使用面板，從而消除了縫翼收縮產生的間隙、臺階和接縫，另一方面，也確保獲得層流所需的平滑翼面。

第二種方案的機翼可以根據要求改變形狀。這與飛機處于哪個飛行階段相關，并且絕對不會損失起飛或者降落時具有的高升力優勢，無紊流，飛行期間掠過機翼的氣流能夠使飛機節省燃料消耗。

另外，NASA與諾斯羅普·格魯門合作的這些測試項目不在于實際開發或者測試實際變形技術，而這項技術正在由航空協會的其他成員進行具體研究。

在利用諾斯羅普·格魯門的風洞進行了一系列的測試之后，這兩種方案經過了持續13個月的評估、開發和審核，于2012年落下帷幕。

最終證明，這兩種方案都非常理想，并且超出了所有預期表現，滿足進行相關研究的所有目標，這意味著這項技術有非常樂觀的前景，不僅在節能、減排、節支方面的優勢已經不需贅言，而且在今后有著更廣闊的利用空間。

前景廣闊

羅杰斯說：“在這項技術能夠最佳程度地應用于客機或者應用小型商務噴氣式飛機之前，仍然還有大量的工作需要完成。”例如：“先進高升力前緣研究”僅利用了一個機翼翼型的較小矩形段。為了充分評估這兩種方案，將需要建造一個全尺寸的后掠翼，并且在一個風洞中進行測試。

另外，如果采取“主動流動控制”技術，并且該技術使空氣吹掃過機翼，所有從噴氣發動機引出的所有管道和輸送系統或者其他輸送源需要進行開發、測試，并且驗證是否能夠安全使用。因此，為了確保具備充分的可靠性，仍有大量的管道問題需要解決，如果任何一條管道由于任何原因被堵塞，也應能夠使飛機不會由于無法產生足夠的升力而偏離航線，尤其是靠近地面的時候。

新技術可能會在未來某一天生產巨大的經濟利益，NASA的“固定翼項目”將繼續致力于這一極其重要技術領域的研究工作。

可以想象得到的是：研究工作將會持續下去，在此期間將會利用一個現代運輸機翼的大比例風洞模型，同時融入各相關部門積極努力研究獲得的技術，以及其他“主動流動控制”概念，努力開發一種機械結構簡單、完美的高升力系統。