美国空军研究试验室探索机动飞机减阻新技术
2014-10-8 来源： 作者：
国外国防科技文献资料快报[据美国航空周刊与空间技术网站2014年9月22日报道]如何改善已经服役数年或者数十年飞机的燃油经济性？换发是一种方法，但是它非常昂贵，并且对于机龄较长的老飞机来说，不太可能在剩余的生命周期内获得成功。改进翼梢装置成本也较高，并且投资回报率不会很快显现。
针对这个问题，美国空军研究试验室（AFRL）开始探索其他的更加经济的、“微创的（对飞机外型线影响较小的）”降低目前或未来运输机和加油机阻力的解决方案。特别地，AFRL正在寻找可用来减阻的工程材料、涂层等，这种方法对飞机的外型线影响较小，相对耗时长、耗资大的结构翻新和重新认证方案来说，这种方法优势明显。AFRL将通过招标吸引有实力的研究机构开发这一技术，AFRL的要求是新的减阻方案能够实现快速的收益平衡，并警告说更换飞机蒙皮将会耗资巨大。
新技术的焦点集中在如何降低表面摩擦阻力。在传统的筒状机身加机翼的布局中，表面摩擦阻力占总阻力的一半左右，另一半是波阻和干扰阻力。降低表面摩擦阻力的有效方法之一是增加机身表面的层流流动区域，但是对于像波音C17和洛克希德•马丁C130这样的大型运输机来说，它们的短粗机身不利于保持层流。所以，AFRL也在寻找降低机身湍流摩擦阻力的方法。
一种降低湍流摩擦阻力的方法是表面小肋，这是一种流向的微型沟槽，通过限制大涡的发展而降低阻力。1989年，空客曾在一架A320的70%的机身表面粘贴了小肋薄膜，达到了降低几乎2%阻力的效果，但是出于对这种措施的可维护性和耐久性的担忧最终没能采用。现在，德国弗劳恩霍夫研究所开发出了一种嵌入微型沟槽的耐久型表面涂层。
除了降低湍流摩擦阻力的尝试外，AFRL还将授出价值875万美元的合同，开发其它潜在的减阻方法，包括动态粗糙度、化学流控制、智能涡流发生器和等离子加热。AFRL要求投标者不仅考虑新方法在军用机动飞机上的减阻应用，还要考虑未来在民用飞机上应用的可能。
动态粗糙度方法指的是通过主动控制一个变形表面产生不同的表面微型峰或脊来延迟层流向湍流的转捩。这项研究由物理科学有限公司开展，据该公司称这种方法需要的功率和带来的重量增加是可控的。化学流控制方法是利用亲水和疏水表面使得飞机表面更加“光滑”进行减阻。
采用形状记忆合金制造的智能涡流发生器通过在不同的飞行状态下展开或收回叶片来达到控制分离、减小阻力的目的。在有分离发生的情况下，涡流发生器叶片展开向流动中注入能量，改善气动性能；在巡航状态下收回叶片保证表面光滑以最小化阻力增加量。
等离子加热可以用来降低跨声速飞行中产生的激波阻力。加热局部气流可以使得当地声速加大而保持气流为亚声速，如此可以降低激波的强度或者改变激波的位置从而降低激波阻力。洛克希德•马丁公司已经申请了等离子加热技术的专利，它将轻质的等离子加热单元集成在飞机表面激波发生位置的附近，该方法能够实现对飞行状态的快速反应，所需功率约“几千瓦”。
洛马已经将该技术在C-5M上进行了验证试验，研究表明C-5M的巡航状态升阻比可以增加0.5-1%。减阻的大小取决于等离子加热装置到底覆盖了多少产生激波的飞机表面。对于C-5M来说，降低4count（1count为1个阻力单位）阻力意味着航程增加18.5公里，进一步更加广泛地应用等离子加热器可降低8count阻力，增加高达111公里航程。洛马表示，对于目前执行的典型任务来说，使用等离子加热技术可以使一架C-5M运输机节省1360千克（3000磅）左右的燃油消耗。
沿翼展布置一排的等离子体装置重量为140千克（310磅），耗资2.55万美元，需要200千瓦的直流电。在C-5M上安装一套等离子加热系统的一次性费用估计为1650万美元，相当于安装一套激光导弹干扰系统的费用。假设能够降低6count阻力，那么采用等离子加热方法能够为每架C-5M运输机带来在30年内节省价值5400万美元的1000万加仑燃油的收益。（中国航空工业发展研究中心）
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