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別小看它,超臨界機(jī)翼才是航空史上最重要的發(fā)明

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在說(shuō)印度“光輝”戰(zhàn)斗機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)十分優(yōu)秀的文章中,W君提到了“超臨界機(jī)翼”。這個(gè)東西大數(shù)軍迷或者普通人都很少會(huì)注意到。原因很簡(jiǎn)單,這是一個(gè)飛機(jī)機(jī)翼截面的設(shè)計(jì)方案,在大多數(shù)時(shí)間里大家只看到飛機(jī)機(jī)翼的造型,什么后掠翼、前掠翼、三角翼……但沒(méi)有多少人去關(guān)注飛機(jī)的機(jī)翼截面。因此這個(gè)設(shè)計(jì)也就成了大家很容易忽略掉的地方。剛好遇到了有粉絲留言:



咱們就借著這個(gè)機(jī)會(huì)展開講講吧,如果能仔細(xì)讀完,相信一個(gè)普通人的航空知識(shí)可能有質(zhì)的提升。

飛機(jī)這類比空氣重的飛行器在平飛過(guò)程中主要依靠機(jī)翼產(chǎn)生升力,這是大部分稍有文化的普通人都知道的事情。如果是進(jìn)階的軍迷會(huì)知道機(jī)翼的上表面彎曲,下表面平滑,彎曲的機(jī)翼上表面空氣流過(guò)的時(shí)候空氣流速加快、壓力降低,機(jī)翼上下表面空氣壓力不同,于是產(chǎn)生了升力。



了解這個(gè)概念,實(shí)際上你應(yīng)該可以知道——飛機(jī)并不是依靠機(jī)翼下面的空氣氣壓“托”起來(lái),更像是飛機(jī)機(jī)翼上表面的低氣壓被“吸”起來(lái)的。咱們這樣講其實(shí)就只為了更加容易理解問(wèn)題,各位先這么聽。畢竟機(jī)翼的升力原理很多,剛剛咱們說(shuō)的僅僅是飛機(jī)機(jī)翼產(chǎn)生升力的一個(gè)主要原因。

產(chǎn)生“升力”的原因還有類似于“迎角效應(yīng)”、“環(huán)量”、“壓縮效應(yīng)”等等十幾種或大或小的原因。

否則這位物理老師在課堂上演示的折紙小飛機(jī)沒(méi)有什么經(jīng)典的機(jī)翼外形設(shè)計(jì)也就不可能飛起來(lái)了。



但是,上彎下平的機(jī)翼第一好理解、第二效率高,也就成了大多數(shù)人認(rèn)為飛機(jī)能飛的主要基礎(chǔ)原理。

讀到此,能理解了,你也就還是一個(gè)初級(jí)軍迷而已。咱們繼續(xù)更深入一步,你就可以了解超臨界機(jī)翼的偉大之處了。

其實(shí),機(jī)翼上表面不彎曲,就是一塊兩面平的平板,飛機(jī)也是可以獲得升力飛起來(lái)的。



這種現(xiàn)象就是典型的“迎角效應(yīng)”——只要機(jī)翼相對(duì)來(lái)流有一個(gè)傾斜角度,空氣被迫向下偏折,機(jī)翼則獲得一個(gè)相反方向的反作用力,也就是升力。甚至你什么翼型都不做,只要是一塊平板、有迎角、有速度,它一樣能被空氣托起來(lái)。

這也就可以解釋為什么你揮動(dòng)一張硬紙板,總覺(jué)得它“兜風(fēng)”;也是為什么折紙飛機(jī)哪怕長(zhǎng)得像一塊折疊木板,只要迎角合適,依然能在教室里穩(wěn)穩(wěn)滑翔幾十米。升力不是某一個(gè)幾何曲線的特性,實(shí)際上真正的升力是機(jī)翼與空氣交換動(dòng)量之后的必然結(jié)果。

當(dāng)然了,這個(gè)概念也就充分的解釋了很多軍迷的一個(gè)口頭語(yǔ)——“力大磚飛”。

是不是有點(diǎn)反直覺(jué)了?既然可以“力大飛磚”為什么還要整各種翼形?這里面主要是效率問(wèn)題。

機(jī)翼上表面彎曲實(shí)際上是依據(jù)伯努利原理。



簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),這個(gè)原理就是能量守恒定律在流體中的體現(xiàn):在同一條氣流流線上(在不考慮外部能量輸入的情況下),氣流的總能量是一個(gè)常數(shù)。這團(tuán)氣流的總能量由兩部分組成:動(dòng)能(流速)和靜壓力(內(nèi)能)。

當(dāng)氣流沿著機(jī)翼上表面被彎曲的外形所引導(dǎo)而加速時(shí),它的動(dòng)能自然就增加了。根據(jù)能量守恒,既然總能量不變,氣流就必須犧牲它的一部分能量來(lái)抵消動(dòng)能的增加——它犧牲的正是靜壓力能。

換句話說(shuō):流速越快,靜壓力就越低——這是伯努利原理的精髓。

正是因?yàn)闄C(jī)翼上方的氣流被加速,靜壓力迅速下降,形成了強(qiáng)大的低壓區(qū),這才產(chǎn)生了把飛機(jī)“吸”上去的升力。這就是為什么我們常說(shuō),理解升力原理,應(yīng)該把它看作是機(jī)翼上表面被吸上去,而不是下表面被托起來(lái)。

為什么不“力大飛磚”呢?主要的原因是“力大飛磚”只能解釋“為什么能飛”,確切的說(shuō)是被頂飛,卻解釋不了“如何能飛得好”。平板靠迎角當(dāng)然能把空氣往下壓,但其代價(jià)是巨大的阻力與糟糕的升阻比——速度稍微快一點(diǎn),就出現(xiàn)大范圍分離渦流,效率低到無(wú)法維持任何遠(yuǎn)距離、長(zhǎng)時(shí)間的飛行需求。換句話說(shuō),磚頭不是不能飛,而是飛得極其昂貴、極其粗暴、極其不經(jīng)濟(jì)。

這樣看是不是追求“力大飛磚”很傻?但在1967年之前,人們就是這么傻!

例如第一架超音速試驗(yàn)機(jī) Bell X-1 其實(shí)就是依靠大推力火箭實(shí)現(xiàn)的超音速飛行。



由于X-1的測(cè)試成功,當(dāng)時(shí)的人們普遍認(rèn)為只要力大,即使是X-1這樣的“磚”也能飛,而且只要結(jié)構(gòu)上扛得住,X-1這樣的飛機(jī)也能超音速飛行。這一論調(diào)就影響了將近10年。

但,這個(gè)觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的,幾乎將航空飛行器的設(shè)計(jì)引向歧途。

錯(cuò)誤在哪里?在二戰(zhàn)中末期人們意識(shí)到的是“音障(sound barrier)”,當(dāng)時(shí)的描述是當(dāng)飛機(jī)越來(lái)越接近音速的時(shí)候飛機(jī)所遇到的阻力增大,升力降低,所以當(dāng)時(shí)認(rèn)為飛機(jī)試圖超越音速時(shí)解體或者失控墜毀的嚴(yán)重事故是由飛機(jī)撞到了一面被極致壓縮的“空氣墻”所致。

當(dāng)時(shí)接近音速的飛機(jī)解體是由激波所致,在當(dāng)時(shí),飛機(jī)的設(shè)計(jì)并沒(méi)有考慮到有“激波(Shock Wave)”這玩意存在。



而當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)并未能像超音速戰(zhàn)斗機(jī)一樣考慮到了激波錐所對(duì)機(jī)體結(jié)構(gòu)造成的影響,當(dāng)時(shí)接近音速的飛機(jī)之所以會(huì)在飛行中解體,真正的原因并不是撞上了什么“空氣墻”,而是機(jī)翼和機(jī)身上突然出現(xiàn)了激波(Shock Wave)——一種極薄、極猛烈的壓力躍變界面。激波的厚度往往只有幾毫米,但它能讓空氣在極短距離內(nèi)從超音速瞬間跌回亞音速,伴隨著壓力暴漲、溫度飆升、密度急劇變化,整個(gè)流場(chǎng)會(huì)像被撕裂一樣劇烈不穩(wěn)定。



問(wèn)題是——由于二戰(zhàn)時(shí)期的飛機(jī)結(jié)構(gòu)根本沒(méi)考慮過(guò)激波的存在。那時(shí)的設(shè)計(jì)完全停留在亞音速氣動(dòng)的認(rèn)知中,沒(méi)有任何機(jī)體布局是按“激波錐掃過(guò)機(jī)翼和機(jī)身”的情況來(lái)建立的。結(jié)果就是——當(dāng)機(jī)翼前緣或機(jī)身表面跨越激波錐時(shí),承受的不是平穩(wěn)的氣流,而是來(lái)自激波“鋒刃”般的壓力梯度沖擊。這種幾毫米范圍內(nèi)的巨大壓力差,會(huì)讓機(jī)翼、鉚釘、蒙皮瞬間超載,直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)撕裂或失控墜毀。



因此,當(dāng)時(shí)困擾工程師的根本不是“空氣把飛機(jī)擋住了”,而是“老式機(jī)翼幾乎在激波面前不堪一擊”。這才是“音障”背后的真實(shí)物理機(jī)制,也正是后來(lái)改變整個(gè)航空設(shè)計(jì)路線的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

這背后其實(shí)有一個(gè)很實(shí)用的小技巧:當(dāng)你看到一架現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)的三視圖時(shí),其實(shí)可以粗略估算它的最大飛行速度。原因很簡(jiǎn)單——現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)在設(shè)計(jì)上都會(huì)盡量讓機(jī)體縮進(jìn)激波錐內(nèi)部,避免激波錐掃過(guò)機(jī)翼或機(jī)身表面對(duì)結(jié)構(gòu)造成沖擊。因此,只要把飛機(jī)最前端與翼尖端點(diǎn)連成一條線,就能得到激波錐在最大速度下的大致包絡(luò)。 激波錐的半頂角 θ 與飛行馬赫數(shù) m 的關(guān)系非常簡(jiǎn)單:sin(θ) = 1 / m 這意味著:激波錐越尖(θ 越?。?,馬赫數(shù)越高;激波錐越鈍(θ 越大),馬赫數(shù)越低。 也就是說(shuō),只要你能從三視圖上看出機(jī)體與激波錐的“幾何關(guān)系”,就能判斷這架飛機(jī)最多能飛多快。這就是為什么當(dāng)初看到所謂“殲-36”“殲-50”的圖紙時(shí),W君幾秒鐘就能給出其理論最大速度范圍——不是神秘知識(shí),而是最基本的激波幾何推算而已。

沒(méi)“撞墻”,而是被“切”了,那么升力消失呢?其實(shí)還是和激波有關(guān)。飛機(jī)的上表面彎曲不是有加速空氣流動(dòng)的作用嗎?理論上應(yīng)該確實(shí)如此。但傳統(tǒng)翼型的上表面本來(lái)就依賴“加速氣流”來(lái)產(chǎn)生低壓區(qū),也就是我們剛剛說(shuō)的伯努利效應(yīng)。在低速時(shí)這是優(yōu)點(diǎn),因?yàn)闅饬鞅患铀俚迷蕉啵瑝毫υ降?,升力越大。但?wèn)題在于——只要飛行速度逼近跨聲速,這個(gè)加速效應(yīng)就會(huì)把上表面的局部氣流推得過(guò)快,甚至在整機(jī)還處于馬赫0.72~0.75 時(shí),上翼面局部已經(jīng)率先突破馬赫 1(音速) ,形成了“局部超音速區(qū)”。從這個(gè)瞬間開始,整個(gè)流場(chǎng)的性質(zhì)就變了。



而一旦局部超音速區(qū)存在,它前端是平滑加速,但尾端必須在某個(gè)位置突然減速回到亞音速。氣流無(wú)法自己慢慢減速,只能靠激波這把“刀”在極小的空間里強(qiáng)行把超音速氣流切斷、壓回亞音速。激波所在的位置壓力陡升,后方邊界層容易分離,機(jī)翼中后段不僅升力貢獻(xiàn)消失,甚至?xí)霈F(xiàn)負(fù)面干擾。結(jié)果就是:上表面的吸力峰被激波粗暴“掐斷”,升力曲線瞬間塌陷,阻力同時(shí)像跳水一樣暴漲。

這就是為什么上一篇文章給大家展示一架客機(jī)上機(jī)翼的超音速激波的動(dòng)圖的原因。



當(dāng)然了,這也是為什么很多人信誓旦旦的看到B-52這種老掉牙的飛機(jī)“超音速”出現(xiàn)“音爆云”的原因。



很多人看到 B-52、F-111、甚至民航客機(jī)在高濕度環(huán)境下出現(xiàn)“音爆云”,就興奮地以為自己見(jiàn)證了“飛機(jī)超音速飛行”。其實(shí)那種云霧結(jié)構(gòu)的本質(zhì),是機(jī)翼局部氣流在跨聲速狀態(tài)下形成的壓力躍遷,把水汽拉到飽和狀態(tài)后瞬間凝結(jié)的產(chǎn)物——與是否突破音速毫無(wú)關(guān)系。換句話說(shuō),看到“白霧”并不意味著飛機(jī)整體突破音障,只意味著機(jī)翼某個(gè)區(qū)域在低溫高濕條件下被迫經(jīng)歷了一次“局部的超音速—激波—回落亞音速”的循環(huán)。這反而說(shuō)明一個(gè)事實(shí):傳統(tǒng)翼型在跨聲速區(qū)的痛苦掙扎會(huì)直觀地寫在它的尾流結(jié)構(gòu)和濕度特效里。

問(wèn)題就在這里了——只要局部超音速區(qū)提前出現(xiàn),激波就一定會(huì)來(lái)“收賬”。激波越早來(lái),位置越靠前,機(jī)翼后段的邊界層就越容易被震得直接分離,升力驟降、阻力暴漲,整個(gè)飛機(jī)的效率像被掐住喉嚨一樣開始滑落。這就是為什么傳統(tǒng)二戰(zhàn)翼型在跨聲速區(qū)域幾乎被物理規(guī)律按在地上摩擦:它們擁有的外形與流場(chǎng)結(jié)構(gòu),本質(zhì)上就是為了亞音速升力而生,而不是為了和激波搏斗??缏曀僦?,它們就像 80 歲老大爺被硬拉去打 MMA——反應(yīng)慢、骨架弱、站不穩(wěn),被激波掃一下就要半條命。



而這么一折騰對(duì)于機(jī)翼的結(jié)果就是——升力大幅度消失了。

你看上世紀(jì)40-50年代關(guān)于“音障”的謎案這不就“破案了”么。

鋪墊了半天,別嫌煩,如果不知道前面的東西,你就很難理解超臨界機(jī)翼。

在1967年理查德·惠特科姆(Richard Whitcomb,這位大神在解決跨音速問(wèn)題上有著傳奇貢獻(xiàn),他也是前一篇文章重點(diǎn)在講的“面積律”的發(fā)明者),提出了一個(gè)反其道而行之的方案——“超臨界機(jī)翼(Supercritical Wing)”



超臨界機(jī)翼截面看起來(lái)完全違背教科書認(rèn)知:上表面不再大幅度隆起,而是被他刻意削成幾乎平直的“平背”;下表面則在后緣畫出一條被稱為“后部加載”的反弧。這兩個(gè)看似簡(jiǎn)單的幾何變化,恰好抓住了跨聲速氣動(dòng)的本質(zhì)矛盾:既要抑制上表面過(guò)度加速,推遲局部馬赫數(shù)達(dá)到 1 的時(shí)間,又要在后緣維持充足的下偏角來(lái)補(bǔ)償升力。上表面削平,讓氣流不再被強(qiáng)迫快速流過(guò),臨界馬赫數(shù)顯著提高,激波出現(xiàn)得更晚、強(qiáng)度更弱;后緣反弧則把升力重新分配,把升力中心推向機(jī)翼后半段,同時(shí)把激波位置也推到更靠近后緣的位置,使邊界層更不容易被激波震開。兩者疊加效果就是:在跨聲速區(qū),超臨界機(jī)翼既能飛得快,又能保持升力不崩、阻力不爆,徹底解決了傳統(tǒng)翼型在跨聲速區(qū)的結(jié)構(gòu)性失敗。



超臨界機(jī)翼的價(jià)值,并不止于“讓飛機(jī)在跨聲速區(qū)飛得更快”。它真正改變的是整個(gè)航空工業(yè)的設(shè)計(jì)范式。傳統(tǒng)翼型的設(shè)計(jì)邏輯,基本都停留在亞音速時(shí)代:靠經(jīng)驗(yàn)、靠風(fēng)洞、靠逐步試錯(cuò),改一點(diǎn)曲率、修一點(diǎn)厚度、調(diào)一調(diào)前緣,整個(gè)機(jī)翼的氣動(dòng)行為還能被工程師直覺(jué)地理解。但超臨界機(jī)翼完全不是這種思路。它的上表面被削平,下表面在后緣又被刻意做出反弧,整個(gè)升力分布、壓力分布、邊界層行為、激波形成位置全部被重新洗牌,這意味著——靠經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)無(wú)法預(yù)測(cè)新翼型的整體氣動(dòng)結(jié)果。任何一個(gè)毫米級(jí)的曲線變化,都可能把臨界馬赫數(shù)推高或推低數(shù)個(gè)百分點(diǎn),把激波位置前推或后移十幾厘米,把升阻比從優(yōu)秀變成災(zāi)難。

從傳統(tǒng)穩(wěn)健的航空設(shè)計(jì)上來(lái)講超臨界機(jī)翼本身就是“不穩(wěn)定的設(shè)計(jì)”。它的氣動(dòng)不是線性的,不是平滑的,而是高敏感、高耦合、跨聲速非線性效應(yīng)主導(dǎo)。你想讓它工作,就必須能在全翼弦范圍內(nèi)、在整個(gè)跨聲速區(qū)、對(duì)壓力分布和邊界層行為進(jìn)行連續(xù)計(jì)算。這種設(shè)計(jì)的復(fù)雜度已經(jīng)完全超出了傳統(tǒng)風(fēng)洞時(shí)代的能力?;萏乜颇房此浦蛔隽藘蓷l曲線的修改,實(shí)際上他迫使整個(gè)航空界邁入了“計(jì)算先行、仿真主導(dǎo)”的時(shí)代。

這就是為什么W君說(shuō):超臨界機(jī)翼是航空史上最重要的發(fā)明之一。隱身技術(shù)、矢量噴口、推力矢量、數(shù)字電傳……這些技術(shù)當(dāng)然重要,但它們都是在既有設(shè)計(jì)體系內(nèi)增加功能;而超臨界機(jī)翼是直接把“設(shè)計(jì)這件事”本身從手工經(jīng)驗(yàn)時(shí)代推入計(jì)算時(shí)代——這是一個(gè)里程碑!沒(méi)有跨聲速非線性分析方法,就沒(méi)有超臨界機(jī)翼;沒(méi)有超臨界機(jī)翼,就不會(huì)有后來(lái)成熟的 CFD(計(jì)算流體力學(xué));沒(méi)有 CFD,現(xiàn)代客機(jī)的翼型優(yōu)化、壓氣機(jī)葉片優(yōu)化、隱身飛機(jī)的氣動(dòng)修形、發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的跨聲速流場(chǎng)控制,全部無(wú)從談起。

你今天看到的任何一架戰(zhàn)斗機(jī)、客機(jī)、運(yùn)輸機(jī),它們機(jī)翼的每一個(gè)毫米都是算出來(lái)的,而不是畫出來(lái)的。這個(gè)時(shí)代的開始,就是惠特科姆在 1967 年把“超臨界機(jī)翼”丟到世界上的那一天。

所以說(shuō)它是“航空史上最重要的發(fā)明”,一點(diǎn)也不夸張。它改變的不是機(jī)翼,它改變的是整個(gè)航空工程師如何思考空氣的方式

這時(shí)候,很多軍迷所想到的第一件事就是——“那我們呢?

其實(shí),從全球航空技術(shù)的譜系來(lái)看,大部分都是源于美國(guó) NASA 的標(biāo)準(zhǔn)體系。超臨界翼型最初由惠特科姆在傳統(tǒng) NACA 64、65 系列翼型基礎(chǔ)上,經(jīng)過(guò)多年風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算逐步演化出來(lái)。為了對(duì)第二代翼型進(jìn)行系統(tǒng)化管理,NASA 將這一家族命名為 SC(2)-xxxx,其中 SC 代表 SuperCritical(超臨界)。人們熟悉的 SC(2)-0714、SC(2)-0410 等,都屬于這個(gè)譜系。

我們?cè)诔R界機(jī)翼方向的起步,與國(guó)際通行路線基本一致。早期的研究通常從 NACA 6 系列、RAE2822 這種跨聲速參考翼型入手,用作風(fēng)洞驗(yàn)證與 CFD 算法標(biāo)定。到了八九十年代,國(guó)內(nèi)院所開始系統(tǒng)引入 NASA 的 SC(2) 系列翼型,并將其作為性能基準(zhǔn)。一些早期論文中常能看到“以 NACA64A010、RAE2822、SC(2)-0714 為對(duì)照對(duì)象”的表述,反映出當(dāng)時(shí)的技術(shù)路線仍以吸收全球成熟成果為主,而非直接進(jìn)行獨(dú)立體系構(gòu)建。



隨著大型民機(jī)與運(yùn)輸機(jī)工程的推進(jìn),中國(guó)的超臨界翼型設(shè)計(jì)體系才真正開始成型。ARJ21、C919、運(yùn)-20 這些型號(hào)標(biāo)志著國(guó)產(chǎn)設(shè)計(jì)走向工程化階段。此時(shí),設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)不再采用單一的公開翼型,而是以 SC(2) 這類成熟翼型作為“初始母體”,在其基礎(chǔ)上進(jìn)行 反設(shè)計(jì)、參數(shù)化建模、多工況優(yōu)化、魯棒性分析 等系統(tǒng)工程工作,逐步形成只在型號(hào)內(nèi)部編號(hào)、對(duì)外不會(huì)披露的國(guó)產(chǎn)超臨界翼型序列。

出于工程保密和知識(shí)產(chǎn)權(quán)的考慮,這些國(guó)產(chǎn)翼型幾乎不會(huì)以公開編號(hào)出現(xiàn),外界通常只能以“采用國(guó)產(chǎn)超臨界機(jī)翼”這樣的表述概括。例如 C919 官方也僅說(shuō)明其機(jī)翼為“大展弦比超臨界翼”,但不會(huì)告訴你它的截面是某個(gè)“SCxx-xxxx”式樣。對(duì)外公開的信息越少,越說(shuō)明這類翼型已經(jīng)進(jìn)入自主研發(fā)體系,而不是對(duì)外可查的公開數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容。

因此,從技?術(shù)演進(jìn)來(lái)看,中國(guó)的超臨界翼型體系并非簡(jiǎn)單的“照抄 SC”或“SC-China 化命名”,而是在吸收 NASA SC 家族的理論基礎(chǔ)和工程經(jīng)驗(yàn)后,進(jìn)一步發(fā)展出一套面向大型民機(jī)、運(yùn)輸機(jī)的國(guó)產(chǎn)優(yōu)化體系。這條路線的價(jià)值不在名稱,而在于整個(gè)體系背后的參數(shù)化反設(shè)計(jì)能力、多工況耦合優(yōu)化能力,以及跨聲速包線內(nèi)保持升阻性能穩(wěn)定的綜合工程能力。

既然有了能力,其實(shí)我們?cè)诔R界機(jī)翼方向上也有一些可以講講的貢獻(xiàn),所謂的貢獻(xiàn)其實(shí)并不是“造出某個(gè)形狀”,而是補(bǔ)齊并構(gòu)建了 跨聲速工程能力的完整產(chǎn)業(yè)鏈。這條鏈包括翼型設(shè)計(jì)理論、數(shù)值方法、風(fēng)洞標(biāo)定、大尺寸復(fù)合材料制造、翼面主動(dòng)控制等多個(gè)環(huán)節(jié)。

中國(guó)的第一大貢獻(xiàn),是在跨聲速 CFD 和優(yōu)化理論上實(shí)現(xiàn)了從零到一的體系化突破。上世紀(jì) 80–90 年代,中國(guó)航空院所(603、611、701、沈飛、中航工業(yè)一院等)在有限體積法、Roe 通量、AUSM 通量、Spalart–Allmaras 湍流模型等方面完成了國(guó)產(chǎn)跨聲速求解器的建立,使我們第一次具備了對(duì)超臨界翼型進(jìn)行多目標(biāo)、全包線優(yōu)化的能力——這不是“畫幾條曲線”,而是掌握了整個(gè)跨聲速流場(chǎng)的計(jì)算話語(yǔ)權(quán)。

第二項(xiàng)貢獻(xiàn),是在大展弦比民機(jī)和大型運(yùn)輸機(jī)工程中,把超臨界機(jī)翼落實(shí)為 具備工程可制造性、可維護(hù)性和可重復(fù)性的結(jié)構(gòu)體系。換句話說(shuō),真正的難點(diǎn)并不是“算出翼型”,而是讓一個(gè)長(zhǎng) 18–25 米、厚度只有 11–14% 的巨大復(fù)合材料機(jī)翼,在從 M0.4 到 M0.82 全包線范圍內(nèi)保持非線性氣動(dòng)行為穩(wěn)定。C919、ARJ21、運(yùn)-20 的工程實(shí)踐,建立了中國(guó)自己的“機(jī)翼工程設(shè)計(jì)曲線”體系,包括蒙皮厚度分布、縱向剛度梯度、彎扭耦合抑制、油箱容積優(yōu)化、翼型逐段過(guò)渡等國(guó)產(chǎn)技術(shù)細(xì)則。西方國(guó)家不會(huì)公布這些,而中國(guó)完成了獨(dú)立體系的構(gòu)建。

第三項(xiàng)貢獻(xiàn),是實(shí)現(xiàn)了 “整體機(jī)翼 + 翼身融合 + 尖峰管理” 的國(guó)產(chǎn)化跨聲速優(yōu)化。歐美超臨界機(jī)翼更多應(yīng)用于傳統(tǒng)干凈翼,而中國(guó)在 C919 與運(yùn)-20 中進(jìn)行了更復(fù)雜的工程組合:發(fā)動(dòng)機(jī)短艙/吊掛氣動(dòng)干擾管理、機(jī)翼上反角與機(jī)翼扭轉(zhuǎn)耦合優(yōu)化、翼尖小翼在跨聲速區(qū)的尾渦控制策略。這些組合優(yōu)化,使得國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)第一次在無(wú)需外購(gòu)成熟機(jī)翼體系的條件下,依然能把跨聲速阻力拖到了與 A320/737NG 同級(jí)甚至略優(yōu)的位置(同展弦比條件下)。

第四項(xiàng)貢獻(xiàn),是深度參與國(guó)際前沿跨聲速研究。中國(guó)學(xué)者在 2000 年后,大量在 AIAA、CEAS、航空學(xué)報(bào)上發(fā)表與超臨界翼型相關(guān)的研究,包括逆設(shè)計(jì)、氣動(dòng)彈性優(yōu)化、湍流模型改進(jìn)、激波-邊界層干擾延遲等方向。其中一部分成果已在國(guó)內(nèi)型號(hào)中工程化。例如通過(guò) shock control bump(激波控制隆起) 的局部修形延遲激波,提升跨聲速升阻比——這一點(diǎn)歐美民機(jī)也在做,但中國(guó)在國(guó)產(chǎn) CFD 平臺(tái)上獨(dú)立完成了算法和工程落地。



最后,也是最關(guān)鍵的一點(diǎn):中國(guó)從未試圖“復(fù)制 SC(2) 系列”,而是在吸收其思想后,創(chuàng)建了 面向民機(jī)和軍機(jī)的完全自主翼型譜系。民機(jī)方向更注重升阻比與包線穩(wěn)定性;軍機(jī)方向(如部分型號(hào)的變后掠、高超聲速進(jìn)氣道邊界層管理翼型)則發(fā)展出不同的優(yōu)化方向。今天,中國(guó)在大型運(yùn)輸機(jī)、殲擊機(jī)、無(wú)人機(jī)的翼型設(shè)計(jì)能力已經(jīng)完全擺脫了對(duì)任何國(guó)家的依賴,并能根據(jù)任務(wù)場(chǎng)景獨(dú)立生成最優(yōu)翼型,這是才是我們的航空工業(yè)者們最難也最本質(zhì)的貢獻(xiàn)。

所以,對(duì)于這個(gè)領(lǐng)域,大家心里有數(shù)就行了,太深的,暫時(shí)就不多說(shuō)了。“超臨界”這個(gè)詞雖然聽起來(lái)有十分高大上的感覺(jué),但目前已經(jīng)“拿捏”。

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