發(fā)展流動(dòng)控制技術(shù)的目的之一便是在飛行器上應(yīng)用，以提高其氣動(dòng)性能。目前，多段高升力翼型已經(jīng)在飛機(jī)上進(jìn)行了廣泛應(yīng)用，渦流發(fā)生器、翼尖小翼等被動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)也已經(jīng)用到了飛機(jī)上。但是因?yàn)榧夹g(shù)性、可靠性、工藝性等問題，大部分流動(dòng)控制技術(shù)，特別是主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，距離在飛行器上的實(shí)際應(yīng)用還存在一定的差距。

當(dāng)前面臨的需求與挑戰(zhàn)

技術(shù)性問題

掌握流動(dòng)控制技術(shù)特性及規(guī)律是實(shí)際應(yīng)用的重要前提，但是目前對某些技術(shù)的認(rèn)識還不夠全面。涉及的問題如下。①缺乏對流動(dòng)控制技術(shù)機(jī)理及其應(yīng)用的系統(tǒng)深入研究。流動(dòng)控制技術(shù)實(shí)施過程往往面臨非定常復(fù)雜流動(dòng)問題，針對不同流動(dòng)控制目的，涉及的控制原理不同，相關(guān)的控制參數(shù)、來流參數(shù)影響規(guī)律也存在差異。目前對流動(dòng)控制技術(shù)的研究大多關(guān)注某一特定狀態(tài)的應(yīng)用，研究并不系統(tǒng)，特別是針對飛行器實(shí)際飛行環(huán)境的流動(dòng)控制機(jī)理及其應(yīng)用研究還比較少。②目前一些流動(dòng)控制技術(shù)的有效控制能力有限，嚴(yán)重影響了其應(yīng)用領(lǐng)域。多種主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)，如合成射流、等離子體激勵(lì)器等，都是基于其誘導(dǎo)產(chǎn)生的射流對流場進(jìn)行控制，因此射流速度成為影響流動(dòng)控制技術(shù)實(shí)際控制能力的重要因素。目前實(shí)驗(yàn)室研究中的合成射流、等離子體激勵(lì)器等誘導(dǎo)射流速度普遍偏低，特別是等離子體激勵(lì)器，其誘導(dǎo)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(yán)重制約了動(dòng)控制技術(shù)在飛行器實(shí)際飛行環(huán)境中的應(yīng)用。

可靠性問題

控制能力、控制效率、可靠性等是流動(dòng)控制技術(shù)實(shí)際應(yīng)用需要考慮的重要問題。相比被動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)，主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)面臨更嚴(yán)峻的可靠性問題。①首先需要保證主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)的魯棒性，亦即使其在設(shè)計(jì)的工作狀態(tài)能夠?qū)崟r(shí)、有效地進(jìn)行流動(dòng)控制。當(dāng)來流或飛行狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，現(xiàn)有的控制方式依然能夠?qū)α鲌鰧?shí)施有效控制，或者即使流動(dòng)控制失效，通過實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)流動(dòng)控制參數(shù)，也能夠及時(shí)、有效地對流場進(jìn)行控制，以達(dá)到所需的控制狀態(tài)，維持飛行器的氣動(dòng)性能。上述要求涉及流動(dòng)控制技術(shù)的兩個(gè)重要研究內(nèi)容，亦即閉環(huán)控制技術(shù)以及動(dòng)態(tài)控制過程，但是目前對該領(lǐng)域的研究較少。特別是，由于對主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)及其應(yīng)用缺乏系統(tǒng)全面的認(rèn)識，沒有掌握外界環(huán)境及控制參數(shù)對實(shí)際控制效果的影響規(guī)律，因此難以建立一套針對實(shí)際應(yīng)用的有效閉環(huán)控制系統(tǒng)。②主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用的重要保障是保證控制系統(tǒng)工作過程的可靠性。主動(dòng)控制技術(shù)由于涉及電子、電、機(jī)械、材料、控制等復(fù)雜系統(tǒng)，如何保障流動(dòng)控制系統(tǒng)安全、有效的運(yùn)行是一個(gè)挑戰(zhàn)，目前對該問題的關(guān)注還較少。

工藝性問題

大部分被動(dòng)控制技術(shù)結(jié)構(gòu)簡單，可以在設(shè)計(jì)成型的飛行器上直接安裝應(yīng)用，并且不會破壞飛行器的原有氣動(dòng)布局和結(jié)構(gòu)。主動(dòng)流動(dòng)控制激勵(lì)器涉及復(fù)雜系統(tǒng)，實(shí)際應(yīng)用的要求很，難度很大。例如，環(huán)量控制需要飛行器機(jī)翼后緣具有科恩達(dá)效應(yīng)的圓弧表面，合成射流激勵(lì)器需要嵌入飛行器部件以內(nèi)并且需要在控制面開槽或者開孔，因此主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)難以在成型的飛行器上直接安裝使用。主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，需要提升到飛行器總體設(shè)計(jì)的高度戰(zhàn)略性考慮。在飛行器設(shè)計(jì)之初，就需要考慮是否采用主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)以及如何設(shè)計(jì)、安裝、操作等問題，提出主動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用方案，進(jìn)行飛行器總體及主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用的一體化設(shè)計(jì)。但是目前流動(dòng)控制技術(shù)在飛行器設(shè)計(jì)中的地位還沒有提升到該高度。

未來發(fā)展建議

不管是軍用飛機(jī)還是民用飛機(jī)，增升減阻控制都是其追求的目標(biāo)，未來新型飛行器的研發(fā)設(shè)計(jì)越來越離不開流動(dòng)控制技術(shù)，特別是主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)的支持。為了提高在新型飛行器上的應(yīng)用程度，不僅需要進(jìn)一步研究流動(dòng)控制技術(shù)，還需要發(fā)展完善相關(guān)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和數(shù)值方法。

先進(jìn)實(shí)驗(yàn)技術(shù)及數(shù)值方法研究

先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)及數(shù)值方法是推進(jìn)流動(dòng)控制技術(shù)在飛行器上應(yīng)用的重要手段。①發(fā)展先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)測試技術(shù)，包括體視 PIV、層析 PIV 等三維流場測速技術(shù)以及壓力敏感漆全流場測壓技術(shù)等，以更好地理解流動(dòng)控制技術(shù)的物理機(jī)理及其應(yīng)用規(guī)律；②發(fā)展完善能夠精確模擬流動(dòng)控制技術(shù)在飛行器上應(yīng)用的數(shù)值方法，以節(jié)約成本，提高效率。

流動(dòng)控制基礎(chǔ)研究

開展流動(dòng)控制技術(shù)的基礎(chǔ)研究是其實(shí)際應(yīng)用的重要前提。以飛行器流動(dòng)控制為背景，開展流動(dòng)控制技術(shù)的基礎(chǔ)研究工作，分析控制位置、控制參數(shù)、來流條件等的影響規(guī)律，掌握流動(dòng)控制技術(shù)機(jī)理，建立流動(dòng)控制技術(shù)主控參數(shù)及其基本特性、控制效果的數(shù)據(jù)庫。

流動(dòng)控制應(yīng)用研究

開展流動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用研究是其實(shí)際應(yīng)用的重要途徑。①根據(jù)量綱分析、相似準(zhǔn)則等原理提取飛行器實(shí)際飛行的相關(guān)參數(shù)，于風(fēng)洞中開展流動(dòng)控制技術(shù)在飛行器上應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)研究；②開展流動(dòng)控制技術(shù)在飛行器上應(yīng)用的飛行實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證其控制效果，掌握控制參數(shù)影響規(guī)律，為實(shí)際應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)。

流動(dòng)控制新方法研究

完善現(xiàn)有的流動(dòng)控制技術(shù)并且發(fā)展新概念流動(dòng)控制技術(shù)，為其在飛行器的應(yīng)用提供新方。①改進(jìn)現(xiàn)有的流動(dòng)控制技術(shù)，提高其控制能力以及可靠性等；②根據(jù)已有的流動(dòng)控制技術(shù)的基本機(jī)理，將不同流動(dòng)控制技術(shù)結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)新的控制功能，以克服單一流動(dòng)控制技術(shù)的某些缺點(diǎn)；③與其他學(xué)科相結(jié)合，發(fā)展新型、高效的流動(dòng)控制技術(shù)。

飛行器總體及流動(dòng)控制應(yīng)用一體化設(shè)計(jì)研究

流動(dòng)控制技術(shù)在新型飛行器上的應(yīng)用離不開飛行器總體及流動(dòng)控制應(yīng)用一體化設(shè)計(jì)。提升流動(dòng)控制技術(shù)在飛行器設(shè)計(jì)中的地位，在飛行器總體設(shè)計(jì)階段就需要考慮增升減阻等需，找準(zhǔn)流動(dòng)控制技術(shù)的定位，實(shí)現(xiàn)飛行器總體及流動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用的一體化設(shè)計(jì)。

發(fā)展路徑及可行性分析

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

原文標(biāo)題：新型飛行器中的關(guān)鍵力學(xué)問題：流動(dòng)控制所面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展方向

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