飛機增升裝置的發展和展望

孟令晗

摘 要：增升裝置保障了飛機的經濟、安全飛行，是現代飛機的重要組成部分。飛機在著陸或機動飛行時，使用增升裝置可以改善飛機的起降和機動飛行性能。文章從機翼升力產生原理出發，引出了增升裝置的重要性，介紹了襟縫翼、吹氣增升等不同增升裝置的基本原理和它們的共性，探討了新技術增升裝置的未來發展趨勢。增升裝置對于飛機設計制造具有重要的意義，是研發的關鍵環節之一。

關鍵詞：機翼；增升裝置；升力；流動控制

中圖分類號：V211.41 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）02-0062-02

隨著科技技術的發展，飛機越來越快，也越來越多。為了安全、高效地在有限的機場跑道進行起降，飛機上普遍安裝了增升裝置。增升裝置已經成為現代飛機的重要組成部分，不同飛機上獨特的增升裝置更是成為了特征。本文嘗試介紹增升裝置的原理和發展，并嘗試對其未來發展進行展望。

1 機翼產生升力的原理

在100多年前，萊特兄弟發明了依靠自身動力飛行的飛機。固定翼飛機飛行的過程中，氣流通過機翼的上下表面，在擾動下產生壓力差，進而提供托舉飛機的升力。之后，我們分析翼型，即機翼的剖面。根據開爾文環量定理，升力源自于翼型周圍的環量分布。如果將翼型抽象成無厚度的曲線，在曲線上布置渦線，可以得到這個翼型的升力性能（對于阻力的計算就更復雜一些，在此不涉獵）。（見圖1）

為了便于討論，我們將各種數據參照來流進行無量綱處理，以避免尺寸帶來的影響，如升力系數定義如下：

對于一個亞音速不可壓情況下的薄翼型，我們有，

即

所以在臨界迎角前，機翼的升力系數變化率與迎角變化率的比值為。機翼的彎曲程度將改變機翼的零升迎角和力矩，提供額外的升力（和阻力）。

2 為什么需要增升裝置

早期飛機多限于低速飛行，故沒有裝備增升裝置的必要性。在一戰時期，航空業迅速發展，飛機漸漸的成為一種主要的運輸工具。發動機和材料工藝的進化，使得飛機的速度大大提升。但是，更高的速度勢必增加飛機的起降距離。在有限的跑道上如何安全的起降飛機成為難題。

降低飛機速度后，增加飛機的迎角可以彌補升力損失。然而，機翼有“失速迎角”，越過這一點，會發生流動分離，發生失速現象，造成飛機墜毀。（見圖2）

一個有效的解決方式是，在巡航時采用正常構型，在起降時采用一定手段增加一定速度下機翼所能提供的最大升力。現階段主要的增升方式有襟縫翼增升以及吹氣增升。

3 各種形式的增升裝置

3.1 襟縫翼及其不同形式

目前民航機上最為主流的增升方式是后緣襟翼和前緣襟翼，主要原理是增加機翼彎度或/與增加機翼面積。（見圖3）

3.1.1 簡單襟翼

與1916年被發明，通過改變機翼彎度來實現增升。波音787也采用了簡單襟翼。

3.1.2 分離襟翼

DC-3等飛機采用，增加升力顯著，但是也會大幅度提高阻力。

3.1.3 開縫襟翼

在襟翼與機翼之間有開縫，低壓氣流通過開縫處，使得氣流更好的附著在襟翼上，推遲失速的發生。

3.1.4 富勒襟翼

襟翼后退并向下彎折，同時增大機翼的彎度和面積，大多配合開縫襟翼共同應用。波音747是一個著名的實例。

3.1.5 克魯格襟翼

安裝與機翼前緣。改善了大攻角情況下機翼前緣的氣流附著。

3.2 吹氣增升

特殊的應用環境催生了對于短距起降飛機的需求。著名的鷂式戰斗機通過旋轉發動機噴口的方式來實現短距/垂直起飛以及垂直降落，而V-22魚鷹直升機通過一對可以調整方向的螺旋槳實現垂直起降與水平高速飛行直接的轉換。一味的增大機翼面積是行不通的，部分機型通過吹氣改變翼型環量分布的方式來增升。

直接引用環量定理的結論

即機翼升力正比于來流速度以及周圍環量。

波音YC-14將引擎的噴氣近距離作用于機翼上表面，實現了大幅度增升，降低了飛機進離場速度來實現短距起降。然而，發動機噴氣的高溫對機翼材料強度以及壽命造成了嚴重的影響。它的競爭對手YC-15采用了“外吹氣襟翼技術”，即通過將發動機噴流吹向雙縫襟翼來增升。最后，YC-15勝出，發展成了著名的C-17運輸機。

但是上吹氣并沒有絕跡，現代渦槳飛機或多或少都有采用這樣的技術，機翼的部分升力是由螺旋槳產生的氣流所提供的。通過吹氣增升，渦槳飛機的油耗更低，更經濟。

3.3 其余增升方式

除了傳統意義上的襟翼和吹氣增升方式以外，還有其他的通過改變流場的增升方式。

3.3.1 三角翼構型

實際上是一種從根本上取消增升裝置的“增升”方式。以協和式客機為例，為了超音速飛行采用了獨特的三角翼布局，帶來了這個額外的好處。三角翼較之普通的后掠翼，在大攻角飛行時由于前緣產生的渦流，不易發生失速，故并不需要襟翼等裝置。

3.3.2 通過渦流發生器推遲流動分離

與三角翼的原理相似，通過渦流推遲失速發生。殲-10的鴨翼既是操縱面，也提供了增升的效果。在F/A-18上，邊條用同樣的原理改善了飛機的低速性能。

3.3.3 自激勵運動機翼

是一種仿生學襟翼，模仿鳥類飛行時，翅膀局部出現分離流動時作自適應運動現象所設計。自激勵襟翼不需要動力驅動，在流動發生分離時，受誘導自動運動，起到了增升的作用。

3.3.4 等離子體技術

運用DBD（介質等離子體放電）等技術進行主動流動控制，改變機翼表面流場的分布，達到增升的作用。

4 結語和未來展望

在最新的A350XWB中，應用了機翼主動控制技術，通過計算機控制機翼的襟翼和副翼，來達到最有效率的氣動構型。在未來，增升裝置會向著主動化、可控化的方向發展。結合更新的自動控制技術和算法，以及更多的主動流動控制技術，除了產生更多升力，襟翼等增升裝置工作時還會產生額外的噪音。噪音不僅影響飛機的乘坐感受，嚴重時的共振甚至會造成額外的結構載荷。增升裝置的噪音預測和減阻優化是現今飛機設計的難點和重點之一。除此以外，如何防止增升裝置失效以及增升裝置失效后的備份措施，也一直備受關注。

飛機增升裝置的運作與飛機的升力產生原理息息相關，更是保證現代飛機安全飛行不可或缺的一部分。增升裝置的原理無外乎于增加機翼面積或者機翼周邊環量。增升裝置的研發，是一個國家航空技術實力的重要體現，也是大客等發展的堅實基礎。

參考文獻：

[1]Anderson Jr J D. Fundamentals of aerodynamics[M].Tata McGraw-Hill Education， 2010.

[2]周濤，李亞林，陳迎春.增升裝置中的流動控制技術[J].上海交通大學學報，2014，48（2）：214-221.

[3]O.Smith A M. High-lift aerodynamics[J]. Journal of Aircraft，1975，12（6）： 501-530.