發展流動控制技術的目的之一便是在飛行器上應用，以提高其氣動性能。目前，多段高升力翼型已經在飛機上進行了廣泛應用，渦流發生器、翼尖小翼等被動流動控制技術也已經用到了飛機上。但是因為技術性、可靠性、工藝性等問題，大部分流動控制技術，特別是主動流動控制技術還處于實驗室研究階段，距離在飛行器上的實際應用還存在一定的差距。

當前面臨的需求與挑戰

技術性問題

掌握流動控制技術特性及規律是實際應用的重要前提，但是目前對某些技術的認識還不夠全面。涉及的問題如下。①缺乏對流動控制技術機理及其應用的系統深入研究。流動控制技術實施過程往往面臨非定常復雜流動問題，針對不同流動控制目的，涉及的控制原理不同，相關的控制參數、來流參數影響規律也存在差異。目前對流動控制技術的研究大多關注某一特定狀態的應用，研究并不系統，特別是針對飛行器實際飛行環境的流動控制機理及其應用研究還比較少。②目前一些流動控制技術的有效控制能力有限，嚴重影響了其應用領域。多種主動流動控制技術，如合成射流、等離子體激勵器等，都是基于其誘導產生的射流對流場進行控制，因此射流速度成為影響流動控制技術實際控制能力的重要因素。目前實驗室研究中的合成射流、等離子體激勵器等誘導射流速度普遍偏低，特別是等離子體激勵器，其誘導速度大概在每秒幾米到十幾米的范圍，因此其能夠有效控制的來流速度范圍有限，嚴重制約了動控制技術在飛行器實際飛行環境中的應用。

可靠性問題

控制能力、控制效率、可靠性等是流動控制技術實際應用需要考慮的重要問題。相比被動流動控制技術，主動流動控制技術面臨更嚴峻的可靠性問題。①首先需要保證主動流動控制技術的魯棒性，亦即使其在設計的工作狀態能夠實時、有效地進行流動控制。當來流或飛行狀態發生變化時，現有的控制方式依然能夠對流場實施有效控制，或者即使流動控制失效，通過實時調節流動控制參數，也能夠及時、有效地對流場進行控制，以達到所需的控制狀態，維持飛行器的氣動性能。上述要求涉及流動控制技術的兩個重要研究內容，亦即閉環控制技術以及動態控制過程，但是目前對該領域的研究較少。特別是，由于對主動流動控制技術及其應用缺乏系統全面的認識，沒有掌握外界環境及控制參數對實際控制效果的影響規律，因此難以建立一套針對實際應用的有效閉環控制系統。②主動流動控制技術應用的重要保障是保證控制系統工作過程的可靠性。主動控制技術由于涉及電子、電、機械、材料、控制等復雜系統，如何保障流動控制系統安全、有效的運行是一個挑戰，目前對該問題的關注還較少。

工藝性問題

大部分被動控制技術結構簡單，可以在設計成型的飛行器上直接安裝應用，并且不會破壞飛行器的原有氣動布局和結構。主動流動控制激勵器涉及復雜系統，實際應用的要求很，難度很大。例如，環量控制需要飛行器機翼后緣具有科恩達效應的圓弧表面，合成射流激勵器需要嵌入飛行器部件以內并且需要在控制面開槽或者開孔，因此主動流動控制技術難以在成型的飛行器上直接安裝使用。主動流動控制技術的實際應用，需要提升到飛行器總體設計的高度戰略性考慮。在飛行器設計之初，就需要考慮是否采用主動流動控制技術以及如何設計、安裝、操作等問題，提出主動控制技術的應用方案，進行飛行器總體及主動流動控制技術應用的一體化設計。但是目前流動控制技術在飛行器設計中的地位還沒有提升到該高度。

未來發展建議

不管是軍用飛機還是民用飛機，增升減阻控制都是其追求的目標，未來新型飛行器的研發設計越來越離不開流動控制技術，特別是主動流動控制技術的支持。為了提高在新型飛行器上的應用程度，不僅需要進一步研究流動控制技術，還需要發展完善相關的實驗技術和數值方法。

先進實驗技術及數值方法研究

先進的實驗技術及數值方法是推進流動控制技術在飛行器上應用的重要手段。①發展先進的實驗測試技術，包括體視 PIV、層析 PIV 等三維流場測速技術以及壓力敏感漆全流場測壓技術等，以更好地理解流動控制技術的物理機理及其應用規律；②發展完善能夠精確模擬流動控制技術在飛行器上應用的數值方法，以節約成本，提高效率。

流動控制基礎研究

開展流動控制技術的基礎研究是其實際應用的重要前提。以飛行器流動控制為背景，開展流動控制技術的基礎研究工作，分析控制位置、控制參數、來流條件等的影響規律，掌握流動控制技術機理，建立流動控制技術主控參數及其基本特性、控制效果的數據庫。

流動控制應用研究

開展流動控制技術的應用研究是其實際應用的重要途徑。①根據量綱分析、相似準則等原理提取飛行器實際飛行的相關參數，于風洞中開展流動控制技術在飛行器上應用的實驗研究；②開展流動控制技術在飛行器上應用的飛行實驗研究，驗證其控制效果，掌握控制參數影響規律，為實際應用積累經驗。

流動控制新方法研究

完善現有的流動控制技術并且發展新概念流動控制技術，為其在飛行器的應用提供新方。①改進現有的流動控制技術，提高其控制能力以及可靠性等；②根據已有的流動控制技術的基本機理，將不同流動控制技術結合起來實現新的控制功能，以克服單一流動控制技術的某些缺點；③與其他學科相結合，發展新型、高效的流動控制技術。

飛行器總體及流動控制應用一體化設計研究

流動控制技術在新型飛行器上的應用離不開飛行器總體及流動控制應用一體化設計。提升流動控制技術在飛行器設計中的地位，在飛行器總體設計階段就需要考慮增升減阻等需，找準流動控制技術的定位，實現飛行器總體及流動控制技術應用的一體化設計。

發展路徑及可行性分析

目前一些被動控制技術，如渦流發生器、翼尖小翼等，已經廣泛應用于大型飛機上。其他一些被動、主動控制技術也顯示出了高效的控制能力，具有較大的應用潛力。在實際發展及應用過程中，可以遵循從簡單到復雜、從無人到有人、從局部到整體的原則。首先，隨著技術發展及相關問題的逐步解決，一些相對較為簡單的流動控制技術逐漸成熟，完全可以在飛行器上進行應用測試，例如，格尼襟翼可以在艦載機等布局上進行應用驗證。其次，考慮到可靠性等問題，一些流動控制技術可以首先應用到無人機上，在應用過程中進一步發展完善，例如，等離子體流動控制技術可以首先應用于微小型飛行器或無人機上。再次，一些流動控制技術可以在飛行器局部氣動部件上進行飛行測試及應用，然后再推廣到全機，例如，層流控制技術已經應用于波音 787 進氣道入口。通過上述技術發展及測試應用，推進流動控制技術應用于飛行器并且提高其氣動性能。

原文標題：新型飛行器中的關鍵力學問題：流動控制所面臨的挑戰及發展方向

文章出處：【微信公眾號：中科院半導體所】歡迎添加關注！文章轉載請注明出處。