军事：美航天局使用主动流动控制装置 重塑飞机尾翼

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据美国航空周刊2013年12月2日报道，由于商用飞机开发商对更高燃油效率的不懈追求，减阻技术经过几十年的研究正在逐步走向现实应用。减小飞机垂尾的尺寸和阻力是减阻技术应用的第一个目标，但是该技术将对其它的飞机表面同样适用。

波音在787-9的垂尾上采用了被动层流控制技术，通过维持大面积的光滑、稳定的层流流动来达到减少阻力的目的。现在，美国航空航天局（NASA）和制造商一起在一架全尺寸的波音757垂尾安装了主动流动控制装置，并进行了风洞测试，试验结果验证了该装置可增加方向舵的有效性，并可减小垂尾尺寸。

上述风洞试验是在NASA位于加州埃姆斯研究中心的国家全尺寸气动设施中进行的，该风洞试验段尺寸为40X80英尺（12.192 X 24.384米）。试验共进行了4周，对采用主动流动控制手段延迟方向舵上的流动分离进而增加方向舵侧力的效果进行了评估。

757垂尾上的丝线簇显示当主动流动控制装置开启时，方向舵处的流动是稳定和附着的（绿色），而当主动流动控制装置关闭时，流动是沿展向的、分离的（红色）。

大型客机垂尾的尺寸是依照起飞时单发失效的最严重的状况确定的，因为在这种情况下，方向舵必须产生足够的侧力以抵消由高涵道比翼吊发动机产生的不对称推力。在飞机族的设计中，垂尾的尺寸通常是按照最小的型号需求确定的，因为此时的方向舵力臂最短，但是这样设计的垂尾对于该系列飞机中较长的型别就显得有些过大了。

NASA主动流动控制计划的目标是增加20%的方向舵侧力，减小17%的垂尾面积，降低飞机燃油消耗0.25-0.5%。波音的研究和技术项目经理埃德·惠伦表示，在NASA环境负责任航空（ERA）项目的资助下，波音公司从亚利桑那州的飞机坟场（译者注：戴维斯·蒙山空军基地）接收了一架老旧的波音757，将其修改为风洞模型进行测试。

波音在757垂尾上采用的主动流动控制装置为“扫掠喷气”作动器。该装置安装在垂尾的一侧表面上，弦向位置刚好位于方向舵铰链线的前方，这使得该装置吹出的气流直接流经偏转舵面的前缘。测试中共安装了37个独立的作动器，它们可分别通过外部压缩空气气源进行不同质量流量的控制，每个作动器都可寻址，因此，可以对作动器不同的间距和不同的布置区域进行试验。

惠伦表示，在国家全尺寸风洞进行测试的一个关键目标是确定最优的作动器布置方案和质量流量，为该项目下一阶段的飞行试验做准备。波音计划在2015年，在公司环保演示验证项目下进行波音757的主动流动控制垂尾的飞行试验。

由于要聚焦于最关键的飞机起降阶段，此次风洞试验的风速被设定为100-130节（185.2-240.76公里/小时）。测量手段包括丝线、表面测压、测力和力矩。缩比试验的结果已经证实，垂尾的侧力能够增加高达50%。全尺寸风洞测试显示的侧力增量为20-30%，对此，惠伦表示，“这一结果在我们需要的范围内。”

惠伦说：“我们的目标是为飞行演示确定主动流动控制装置的最佳布置方式，一旦我们找到这种方式，我们将它同飞机上可提供的气源进行对比，在性能和气源供应之间做出平衡。”我们已经鉴定了几组可行的作动器布置方案，并进行了广泛的测试，包括飞行安全缓解。所以，我们对飞行测试的总体效果有了理解。对于波音757的飞行测试，作动器将从飞机的辅助动力装置引气。

惠伦表示，波音选择扫掠喷气装置是因为他们按比例均匀地将原有装置放大。原有的扫掠喷气装置最初是作为流控计算机的逻辑装置被研发出来的，现在被用在汽车的挡风玻璃洗涤器中。在这些装置内，有一个内部的反馈回路使得喷流从喷管的一侧“弹”至另外一侧，如此往复运动，这使得喷流不断摆动。相比于稳定喷气给流经方向舵的气流注入能量来说，这种摆动的喷流效率更高，所需的质量流量大大减少。

实际应用中，在垂尾的两侧都将布置作动器。它们将根据需要被设置为开或关模式，在方向舵偏转一定角度后出现分离的一侧开启装置以增加侧力。考虑到未来同层流流动控制结合，主动流动控制技术将极大地减小客机的垂尾尺寸。（中国航空工业发展研究中心王元元）

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