飞机减阻技术的现状与发展

科技与创新┃ScienceandTechnology&Innovation

·42·2019年第21期

文章编号：2095－6835（2019）21－0042－03

飞机减阻技术的现状与发展

陈耿

（航空工业西飞，陕西西安710089）

摘要：分析了目前已经成熟及大量工程应用的减阻技术和取得突破性进展的新技术，简要分析了其机理及应用

前景。超临界翼型和翼梢小翼分别降低了飞机的压差阻力和诱导阻力，目前已成为飞机设计的常规翼型和必备部

件；层流机翼和柔性变形等新技术的研究让减阻不再局限于气动外形的优化；调研分析了减阻技术机理和应用具

有重要的参考意义。关键词：涡流发生器；层流机翼；边界层抽吸；柔性变形

中图分类号：V221.3文献标识码：ADOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2019.21.015

飞机是人类历史上最伟大的发明之一，自1903-12-17

莱特兄弟的“飞行者1号”首飞直至今天，飞机的气动外形

发生了巨大的变化，这一切都是为了使飞机在特定飞行速度

下具有较高的飞行性能，复杂、不规则的外形会给飞机带来

极大的阻力，飞机气动外形的优化改进一直朝着减阻的方向

发展。

现代民用大中型客机均为高亚音速，阻力主要有摩擦阻

力、压差阻力、诱导阻力、干扰阻力，而摩擦阻力和诱导阻

力占总阻力的绝大部分，目前，减阻技术研究的重点都是致

力于减小这两种阻力；民用客机最重要的是燃油经济性，这

样才能给航空公司带来盈利，阻力降低1%也能给民用客机

带来相当可观的经济效益，因此，减阻技术一直都是整个航

空界研究的焦点。

本文分析研究了截至目前航空界主要的减阻技术及其

原理、应用情况，还有正在研究的减阻新技术及应用前景，

为低阻气动布局的设计提供了参考。1减阻技术的现状

随着航空飞行器的不断更新换代，气动外形的优化改

进，已经有许多成熟的减阻技术已经在飞机上应用。

1.1超临界翼型

早期的民航客机基本采用普通翼型，导致飞机在高亚音

速巡航时，机翼上表面出现超音速气流，并以强激波结束，

产生很大的阻力，限制了客机的飞行速度；在20世纪60年

代后期，RICHARDW和DIETRICHK提出了超临界翼型，

翼型上表面变得更为平坦，机翼前缘钝圆，下表面呈弧形并

向下弯曲，超临界翼型的气流在前缘会更快的到达一个局部

马赫数（未产生激波），并在上表面平坦区域保持此速度，

在后缘产生一个弱激波，相比普通翼型的强激波，阻力明显

降低，如图1所示。

超临界翼型早已在客机、运输机上得到广泛应用，极大提高了高亚音速飞机的巡航马赫数。

图1普通翼型与超临界翼型对比1.2沟槽/肋条减阻20世纪70年代，NASA研究中心发现顺气流微小沟槽

的表面可以减小物体表面约6%的摩擦阻力，改变了研究人

员对于光滑表面摩擦阻力小的传统认识，沟槽/肋条减阻成

为了湍流减阻技术的研究焦点，如图2所示。

图2沟槽/肋条示意图北京航空航天大学的王晋军等人证实了沟槽面可以使

边界层转捩推迟，在湍流边界层区域具有减阻特性。CHOI

等人进行的试验结果显示沟槽面对层流边界层向湍流边界

层转捩有明显的延迟作用。

目前，沟槽/肋条减阻均已在工程实践中得到了应用，

空客在A320飞机的表面贴上沟槽薄膜，面积达到浸润面积

的70%，节约燃料1%～2%；德国最早在飞机机身上使用沟

槽，节约燃料可达8%；西飞公司在运七风洞模型上顺气流

粘贴肋条薄膜，通过风洞试验验证，可减小阻力5%～8%；

沟槽/肋条的缺点是尺寸较小，直接加工难度大，目前基本.com.cn. All Rights Reserved.ScienceandTechnology&Innovation┃科技与创新2019年第21期

·43·使用薄膜实现，而薄膜容易破损，沟槽易被灰尘覆盖；随着

加工工艺及材料的发展，沟槽/肋条减阻有非常广阔的应用

空间。

1.3涡流发生器

涡流发生器主要用于抑制气流分离以减小阻力，流体的

粘性阻滞使近壁面气流沿流动方向不断减速，在一定逆压梯

度作用下，边界层外部气流仍保持原来方向，但近壁面气流

则逐渐减速直至为零，甚至倒流，使得气流发生分离，阻力

急剧增大，简单来说，就是粘性作用导致近壁面气流的能量

不断耗散，最终不能保持原来的流动。

到1947年BMYNES和TAYLER提出了涡流发生器

（VortexGenerator，简称VG）的概念，就是垂直安装于飞

机表面的小展弦比薄片，通过控制VG的安装参数，在其后

卷起不同方向的涡，给出下游的边界层注入新的能量，提高

目标区域的抗逆压梯度能力，甚至可以消除气流分离，目前

已得到广泛应用。

目前，VG已被应用于民用客机（A320、波音737）、军

用运输机（C-17）的发动机短舱，如图3所示，抑制低速大

迎角时短舱上卷起的涡流，提升飞机失速迎角；空客在A340

飞机襟翼前缘安装VG，使得着陆状态可用偏角增加3°，升

力增加2.2%；美国空军在C-130、C-17上翘后机身安装VG，

减轻上翘后机身边界层的流动分离，阻力减小6%和1.6%。

（a）A320（b）C-17

图3VG在飞机上的应用1.4翼梢小翼

当机翼产生升力时，下翼面的压强高于上翼面的压强，

下翼面气流就会沿展向从翼尖向上翼面流动，同时具有向后

流动的速度，这样就会在翼尖处形成漩涡，漩涡的气流在旋

转的同时也向后流动，两个翼尖漩涡的气流方向相反，称之

为翼尖涡，随之而产生的附加到机翼上的阻力为诱导阻力，

约占飞机总阻力的40%；翼梢小翼可以阻碍下翼面气流向上

翼面流动，减弱翼尖涡强度，减小诱导阻力。1988年，波音747-400进行了翼梢小翼的飞行测试，减

阻效果可达3.5%，波音737也使用了翼梢小翼，如图4所

示。与此同时，空客也开始采用翼梢小翼，并应用在A320，

如图5所示。

后续逐渐发展产生鲨翅小翼、双羽小翼、双弯刀小翼等，

翼梢小翼的应用，极大提高了民航客机的燃油经济性。2015

年，美国就曾研究给老的运输机队进行减阻，为此开展了C-130J

的减阻翼梢小翼飞行试验。图4波音737的双羽小翼图5A320早期的上下小翼2减阻技术的发展

随着材料、制造、工艺的发展，减阻不再仅依靠气动外

形的优化，新材料、新工艺让减阻研究迈上了新台阶。

2.1层流机翼

边界层可分为层流和湍流，由于目前飞机表面制造光洁

度降低，层流较早的转捩为湍流，而在相同雷诺数下，层流

的摩擦阻力远小于湍流，因此，尽可能保持测量流动可以极

大减小摩擦阻力。

由于层流巨大的减阻效果，自20世纪30年代就开始研

究层流翼型，主要有NACA系列、FX系列、NPU系列层流

翼型。20世纪80年代，NASA在波音757上使用层流翼套，

取得了较好的试验效果。2017年，空客将A340验证机翼尖

部分换装层流试验段进行了飞行测试，结果表明，一副自然

层流机翼阻力减小8%，燃油消耗降低5%。虽然目前层流机

翼研究取得了重大突破，但其对制造公差要求非常高，机翼

表明微小的台阶都会对气流产生翼型，因此距离大量工程应

用还有很长的路要走。

2.2附面层抽吸技术（BLI）

民用客机在机身尾部安装嵌入式的风扇，驱动风扇对机

身低速附面层进行抽吸和加速，为机身低能附面层注入能

量，降低阻力，即附面层抽吸技术（BLI），改技术已被越来

越多的欧美航空科研机构争相研究，是最有潜力的飞机减阻

技术。由NASA开发的客机概念方案“STARC-ABL”，如图6所示。

图6NASA开发的STARC-ABL方案采用目前常规的机身-机翼布局，机翼下安装两台涡扇

发动机作为飞机的动力，机身尾部安装电驱动的环形风扇，

由翼下发动机提供电力驱动风扇抽吸机身低能附面层，减小

机身阻力，阻力减小意味着动力需求降低，相应地可以减小

发动机的尺寸，抵消了后置风扇及附件的额外增加的重量。

德国包豪斯研究院的PFC概念与STARC-ABL基本相.com.cn. All Rights Reserved.科技与创新┃ScienceandTechnology&Innovation

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似，同样在机身尾部安装环形风扇对边界层进行抽吸，以减

小阻力，不同的是PFC在环形风扇后部安装有小型发动机，

用于驱动BLI风扇。

空客“鹦鹉螺”项目也采用了BLI技术，如图7所示。

在机身尾部安装两台超高涵道比涡扇发动机，为飞机提供动

力的同时，也对机身低能附面层进行抽吸，减小阻力，鹦鹉

螺项目主要是解决了未来超高涵道比发动机在机翼下的安

装难题，技术难点是发动机风扇在畸变流场中工作，降低了风扇效率。

图7空客鹦鹉螺项目方案2.3折叠机翼2018年NASA在位于加利福尼亚的阿姆斯特朗飞行研

究中心进行了一系列自适应机翼展向工程的飞行试验，飞行

员能在飞行中根据多种飞行条件去调整机翼的折叠角度，以

此来达到对应飞行条件下的最佳升阻状态，由于须使用特殊

材料来实现机翼的折叠，因此，该技术短期内难以大量应用。

2.4柔性变形技术

柔性变形技术是自适应结构复杂性的柔性复合结构，采

用单片、分布式无缝变形机制，满足强度和柔性需求，这些

结构能够根据不同的飞行速度、高度、重量进行自适应的偏

转和扭转以最小化巡航配平阻力、燃油消耗，减轻载荷等，

柔性变形相比折叠机翼更为复杂，主要是优化飞行时的机翼弯度，而折叠机翼仅根据飞行条件改变翼尖部分的折叠角

度，柔性变形结构未来有望和已大量应用的翼梢小翼一样，

成为改善气动性能的有效措施。2014年，NASA在湾流GIII试验机上进行了柔性后缘

襟翼的飞行试验，验证了该结构的变形和承载能力，柔性系

统公司预计该技术能够带来2%～12%的减阻效果。3总结

本文总结分析了飞机减阻技术的现状与发展，简单分析

了各减阻技术的原理及工程应用情况。超临界翼型、涡流发

生器、翼梢小翼现已大量应用于各种军民用飞机，沟槽/肋

条尚未大量应用于飞行器，但在其他行业（输油管道）取得

显著成效。得益于先进材料、工艺水平的研制及应用，未来

的减阻技术逐渐朝着气动与材料相结合的方向发展，附面层

抽吸及柔性变形等新技术的研究和应用，给未来飞机气动布

局设计带来了无限可能。本文为低阻气动布局的设计提供了

参考。参考文献：

［1］方宝瑞.飞机气动布局设计［M］.北京：航空工业出版

社，1997.

［2］赵志勇，董守平.沟槽面在湍流减阻中的应用［J］.石油

化工高等学校学报，2004，17（3）：76-79.

［3］张进，张彬乾，阎文成.微型涡流发生器控制超临界翼

型边界层分离实验研究［J］.实验流体力学，2005，19

（3）：58-60，84.————————

作者简介：陈耿（1987—），男，大学本科，工程师，主要

研究方向为气动设计。

〔编辑：严丽琴〕

（上接第41页）

3结语

在高校年鉴编校工作中，应坚持业务与管理并重的工作

思路，“管理是纲，业务为目”，二者缺一不可。唯有如此，

高校年鉴编校质量才能从根本上得以改善，推动档案文化编

研成果水平的提升，从而实现文化育人和服务的目标导向。参考文献：

［1］许向东.对编制高校年鉴的思考［J］.机电兵船档案，2008

（2）：39.

［2］颜丙通.高校年鉴编撰规范与组稿要求——以档案信息

资源深度开发为切入点［J］.湖北开放职业学院学报，2018，31（23）：22.［3］陈建华.高校年鉴性质、特点、作用及编写现状分析［J］.

兰台世界，2014（5）：120

［4］李东宁.对提高高校年鉴编撰质量的思考［J］.宁夏大学

学报（人文社会科学版），2013，35（5）：189.

［5］冯爱玲.高校年鉴编辑队伍建设的现状与路径［J］.黑龙

江史志，2015（5）：23.————————

作者简介：颜丙通（1983—），男，江苏赣榆人，副研究馆

员，研究方向为档案资源开发与信息化。

〔编辑：张思楠〕.com.cn. All Rights Reserved.