新型飞行器主动流动控制技术面临的需求与挑战

发展流动控制技术的目的之一便是在飞行器上应用，以提高其气动性能。目前，多段高升力翼型已经在飞机上进行了广泛应用，涡流发生器、翼尖小翼等被动流动控制技术也已经用到了飞机上。但是因为技术性、可靠性、工艺性等问题，大部分流动控制技术，特别是主动流动控制技术还处于实验室研究阶段，距离在飞行器上的实际应用还存在一定的差距。

当前面临的需求与挑战

技术性问题

掌握流动控制技术特性及规律是实际应用的重要前提，但是目前对某些技术的认识还不够全面。涉及的问题如下。①缺乏对流动控制技术机理及其应用的系统深入研究。流动控制技术实施过程往往面临非定常复杂流动问题，针对不同流动控制目的，涉及的控制原理不同，相关的控制参数、来流参数影响规律也存在差异。目前对流动控制技术的研究大多关注某一特定状态的应用，研究并不系统，特别是针对飞行器实际飞行环境的流动控制机理及其应用研究还比较少。②目前一些流动控制技术的有效控制能力有限，严重影响了其应用领域。多种主动流动控制技术，如合成射流、等离子体激励器等，都是基于其诱导产生的射流对流场进行控制，因此射流速度成为影响流动控制技术实际控制能力的重要因素。目前实验室研究中的合成射流、等离子体激励器等诱导射流速度普遍偏低，特别是等离子体激励器，其诱导速度大概在每秒几米到十几米的范围，因此其能够有效控制的来流速度范围有限，严重制约了动控制技术在飞行器实际飞行环境中的应用。

可靠性问题

控制能力、控制效率、可靠性等是流动控制技术实际应用需要考虑的重要问题。相比被动流动控制技术，主动流动控制技术面临更严峻的可靠性问题。①首先需要保证主动流动控制技术的鲁棒性，亦即使其在设计的工作状态能够实时、有效地进行流动控制。当来流或飞行状态发生变化时，现有的控制方式依然能够对流场实施有效控制，或者即使流动控制失效，通过实时调节流动控制参数，也能够及时、有效地对流场进行控制，以达到所需的控制状态，维持飞行器的气动性能。上述要求涉及流动控制技术的两个重要研究内容，亦即闭环控制技术以及动态控制过程，但是目前对该领域的研究较少。特别是，由于对主动流动控制技术及其应用缺乏系统全面的认识，没有掌握外界环境及控制参数对实际控制效果的影响规律，因此难以建立一套针对实际应用的有效闭环控制系统。②主动流动控制技术应用的重要保障是保证控制系统工作过程的可靠性。主动控制技术由于涉及电子、电、机械、材料、控制等复杂系统，如何保障流动控制系统安全、有效的运行是一个挑战，目前对该问题的关注还较少。

工艺性问题

大部分被动控制技术结构简单，可以在设计成型的飞行器上直接安装应用，并且不会破坏飞行器的原有气动布局和结构。主动流动控制激励器涉及复杂系统，实际应用的要求很，难度很大。例如，环量控制需要飞行器机翼后缘具有科恩达效应的圆弧表面，合成射流激励器需要嵌入飞行器部件以内并且需要在控制面开槽或者开孔，因此主动流动控制技术难以在成型的飞行器上直接安装使用。主动流动控制技术的实际应用，需要提升到飞行器总体设计的高度战略性考虑。在飞行器设计之初，就需要考虑是否采用主动流动控制技术以及如何设计、安装、操作等问题，提出主动控制技术的应用方案，进行飞行器总体及主动流动控制技术应用的一体化设计。但是目前流动控制技术在飞行器设计中的地位还没有提升到该高度。

未来发展建议

不管是军用飞机还是民用飞机，增升减阻控制都是其追求的目标，未来新型飞行器的研发设计越来越离不开流动控制技术，特别是主动流动控制技术的支持。为了提高在新型飞行器上的应用程度，不仅需要进一步研究流动控制技术，还需要发展完善相关的实验技术和数值方法。

先进实验技术及数值方法研究

先进的实验技术及数值方法是推进流动控制技术在飞行器上应用的重要手段。①发展先进的实验测试技术，包括体视 PIV、层析 PIV 等三维流场测速技术以及压力敏感漆全流场测压技术等，以更好地理解流动控制技术的物理机理及其应用规律；②发展完善能够精确模拟流动控制技术在飞行器上应用的数值方法，以节约成本，提高效率。

流动控制基础研究

开展流动控制技术的基础研究是其实际应用的重要前提。以飞行器流动控制为背景，开展流动控制技术的基础研究工作，分析控制位置、控制参数、来流条件等的影响规律，掌握流动控制技术机理，建立流动控制技术主控参数及其基本特性、控制效果的数据库。

流动控制应用研究

开展流动控制技术的应用研究是其实际应用的重要途径。①根据量纲分析、相似准则等原理提取飞行器实际飞行的相关参数，于风洞中开展流动控制技术在飞行器上应用的实验研究；②开展流动控制技术在飞行器上应用的飞行实验研究，验证其控制效果，掌握控制参数影响规律，为实际应用积累经验。

流动控制新方法研究

完善现有的流动控制技术并且发展新概念流动控制技术，为其在飞行器的应用提供新方。①改进现有的流动控制技术，提高其控制能力以及可靠性等；②根据已有的流动控制技术的基本机理，将不同流动控制技术结合起来实现新的控制功能，以克服单一流动控制技术的某些缺点；③与其他学科相结合，发展新型、高效的流动控制技术。

飞行器总体及流动控制应用一体化设计研究

流动控制技术在新型飞行器上的应用离不开飞行器总体及流动控制应用一体化设计。提升流动控制技术在飞行器设计中的地位，在飞行器总体设计阶段就需要考虑增升减阻等需，找准流动控制技术的定位，实现飞行器总体及流动控制技术应用的一体化设计。

发展路径及可行性分析

目前一些被动控制技术，如涡流发生器、翼尖小翼等，已经广泛应用于大型飞机上。其他一些被动、主动控制技术也显示出了高效的控制能力，具有较大的应用潜力。在实际发展及应用过程中，可以遵循从简单到复杂、从无人到有人、从局部到整体的原则。首先，随着技术发展及相关问题的逐步解决，一些相对较为简单的流动控制技术逐渐成熟，完全可以在飞行器上进行应用测试，例如，格尼襟翼可以在舰载机等布局上进行应用验证。其次，考虑到可靠性等问题，一些流动控制技术可以首先应用到无人机上，在应用过程中进一步发展完善，例如，等离子体流动控制技术可以首先应用于微小型飞行器或无人机上。再次，一些流动控制技术可以在飞行器局部气动部件上进行飞行测试及应用，然后再推广到全机，例如，层流控制技术已经应用于波音 787 进气道入口。通过上述技术发展及测试应用，推进流动控制技术应用于飞行器并且提高其气动性能。

原文标题：新型飞行器中的关键力学问题：流动控制所面临的挑战及发展方向

文章出处：【微信公众号：中科院半导体所】欢迎添加关注！文章转载请注明出处。