12月22日，央視科教頻道（CCTV10)《實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)》節(jié)目以紀(jì)錄片形式在《逐夢(mèng)海天》專題中深度報(bào)道我校飛行器基礎(chǔ)布局全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。具體報(bào)道如下：
航空工業(yè)發(fā)展水平是一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力的重要體現(xiàn)，世界主要國(guó)家都將航空工業(yè)定義為國(guó)家戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，世界強(qiáng)國(guó)無一不是航空強(qiáng)國(guó)。黨的十八大以來，我國(guó)民用航空工業(yè)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)能規(guī)模倍增、產(chǎn)品研制突破等一系列突出成就，其中面向前沿的科技創(chuàng)新起到了關(guān)鍵的引領(lǐng)作用。
2023年5月28日，國(guó)產(chǎn)大飛機(jī) C919完成首次商業(yè)飛行，這是我國(guó)在民用航空領(lǐng)域一次里程碑式的跨越。C919大型客機(jī)最大載客量192人，最大航程5555千米，這是我國(guó)首款按照國(guó)際通行試航標(biāo)準(zhǔn)自行研制并具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的噴氣式干線客機(jī)。
在C919研發(fā)過程中，我國(guó)的航空科研人員先后實(shí)現(xiàn)了163項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的突破，其中最關(guān)鍵的就是機(jī)翼。機(jī)翼是飛機(jī)上產(chǎn)生升力的重要部件，正是升力的托舉，能讓比空氣重得多的飛機(jī)翱翔藍(lán)天。
科學(xué)家們測(cè)算，飛機(jī)90%以上的升力都是由機(jī)翼產(chǎn)生的，但機(jī)翼同時(shí)也會(huì)帶來50%以上的阻力。先進(jìn)的機(jī)翼設(shè)計(jì)被認(rèn)為是飛機(jī)氣動(dòng)效率提升的關(guān)鍵，決定了飛機(jī)是否安全、經(jīng)濟(jì)又舒適。為C919設(shè)計(jì)出高氣動(dòng)效率的機(jī)翼，就成為中國(guó)科學(xué)家亟待破解的難題。
西北工業(yè)大學(xué)飛行器基礎(chǔ)布局全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任韓忠華：
翼型設(shè)計(jì)得好壞，就決定了飛機(jī)能夠飛得有多高、飛得多遠(yuǎn)和能夠飛得多高效，那么翼型設(shè)計(jì)就是怎么樣去尋找最優(yōu)的外形，氣動(dòng)特性達(dá)到最好。
韓忠華是西北工業(yè)大學(xué)飛行器基礎(chǔ)布局全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，多年來一直致力于飛行器設(shè)計(jì)空氣動(dòng)力學(xué)研究，他所在的實(shí)驗(yàn)室建有亞洲最大的低速翼型風(fēng)洞和增壓連續(xù)式高速翼型風(fēng)洞，被譽(yù)為中國(guó)翼型的搖籃。
翼型是指飛機(jī)機(jī)翼及尾翼的剖面形狀，翼型形狀看似簡(jiǎn)單，卻蘊(yùn)含著豐富的空氣動(dòng)力學(xué)原理。不同的翼型對(duì)飛機(jī)的巡航速度、操縱性能、起飛降落以及所有飛行階段的空氣動(dòng)力效率都有重要影響。因此，先進(jìn)翼型設(shè)計(jì)也被世界各航空強(qiáng)國(guó)視作飛機(jī)設(shè)計(jì)的核心技術(shù)，是保持競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵。
在C919研制啟動(dòng)之初，實(shí)驗(yàn)室在高正紅教授帶領(lǐng)下就直接參與其中。
“作為國(guó)內(nèi)專門研究翼型的國(guó)家級(jí)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)室就成為了承擔(dān) C919大型客機(jī)翼型機(jī)翼設(shè)計(jì)科研攻關(guān)任務(wù)的三個(gè)主要團(tuán)隊(duì)之一，也是大飛機(jī)聯(lián)合工程隊(duì)認(rèn)可的獨(dú)立承擔(dān)該任務(wù)的唯一高校團(tuán)隊(duì)。”
翼型之所以重要，是因?yàn)轱w機(jī)依靠機(jī)翼上下表面空氣流速不同而形成的壓力差才實(shí)現(xiàn)了起飛，但隨著發(fā)動(dòng)機(jī)功率的提升，飛機(jī)的速度很快就接近了聲速。
聲速是指聲音在空氣中的傳播速度。當(dāng)飛機(jī)速度接近聲速時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)新的現(xiàn)象：飛機(jī)翼面受到的阻力會(huì)突然急速上升，最終不但不會(huì)超過聲速，反而會(huì)因?yàn)榫薮蟮淖枇φT發(fā)劇烈的抖動(dòng)，甚至導(dǎo)致機(jī)毀人亡。這是因?yàn)楦咚亠w行的飛機(jī)會(huì)把前方空氣急劇壓縮，形成的高壓氣體堆積在機(jī)翼前方，變成一道極為堅(jiān)固的空氣墻，這種現(xiàn)象被科學(xué)家們定義為激波。
早期的民航客機(jī)采用的都是常規(guī)翼型，為了避免激波的發(fā)生，就需要把巡航飛行速度控制在飛機(jī)周圍不出現(xiàn)超聲速流動(dòng)的范圍內(nèi)。因此，制約民航飛機(jī)飛行性能的關(guān)鍵不僅在動(dòng)力，而且在翼型。
上個(gè)世紀(jì)60年代，有科學(xué)家發(fā)明了一種超臨界翼型，這是一種既能適應(yīng)高速巡航飛行，又能保持較高氣動(dòng)效率的翼型。
“對(duì)于現(xiàn)代的大型客機(jī)設(shè)計(jì)而言，超臨界機(jī)翼設(shè)計(jì)是其中一項(xiàng)核心關(guān)鍵技術(shù)。我們國(guó)家要發(fā)展自己的具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型客機(jī)，首先就要有自己的超臨界翼型，掌握超臨界機(jī)翼設(shè)計(jì)技術(shù)。”
超臨界機(jī)翼的前緣較為圓鈍，上部平坦，下部后緣處反凹。這個(gè)設(shè)計(jì)的好處在于鈍圓的前緣使空氣很快加速到超聲速，平坦的上表面又使局部流速緩慢地減小，最終以微弱激波甚至無激波恢復(fù)到亞聲速，使得激波阻力很小，而下部后緣處反凹能使空氣在這里減速，形成高壓區(qū)，從而增加機(jī)翼升力。
這種翼型能使飛機(jī)實(shí)現(xiàn)更高速的巡航飛行，又能減少阻力，是非常理想的民航客機(jī)一型。但這類翼型的關(guān)鍵技術(shù)長(zhǎng)期以來被歐美航空強(qiáng)國(guó)所壟斷。為了驗(yàn)證超臨界翼型的氣動(dòng)特性，今天韓忠華帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)成員在實(shí)驗(yàn)室風(fēng)洞中對(duì)常規(guī)翼型與超臨界翼型開展對(duì)比實(shí)驗(yàn)。
風(fēng)洞是以人工的方式產(chǎn)生并且控制氣流，用來模擬飛行器周圍氣體的流動(dòng)情況，它是進(jìn)行空氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)最有效的工具之一，這次將首先在低湍流風(fēng)洞中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
此外，又在高速風(fēng)洞中進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)。最終，從風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，在高速巡航條件下，超臨界翼型的氣動(dòng)性能明顯優(yōu)于常規(guī)翼型。
“普通翼型在高速情況下，它有比較強(qiáng)的激波，從而帶來了較強(qiáng)的激波阻力。而超臨界翼型在高速情況下，它的激波比較弱，因此阻力就比較小。”
正是通過大量的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真，實(shí)驗(yàn)室掌握了超臨界翼型的分析、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證技術(shù)。在C919研制過程中，實(shí)驗(yàn)室在高正紅教授帶領(lǐng)下，不斷優(yōu)化翼型和機(jī)翼設(shè)計(jì)方案，最終助力實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)超臨界機(jī)翼技術(shù)的成功應(yīng)用。
C919采用超臨界機(jī)翼后，不僅顯著提升了巡航效率，還減輕了飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量，在速度、經(jīng)濟(jì)性和舒適性上都有了較大提升，助力國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)一飛沖天。但韓忠華所在的實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)的目光還遠(yuǎn)不僅于此，他們?cè)诔R界翼型基礎(chǔ)上，又進(jìn)一步發(fā)展了層流超臨界機(jī)翼。
“新設(shè)計(jì)的層流超臨界翼型，在高速巡航狀態(tài)下，它的升阻比是遠(yuǎn)高于超臨界翼型和常規(guī)翼型，未來在大型民機(jī)的研發(fā)中，在減少阻力和提高巡航效率方面有很大的發(fā)展?jié)摿Α！?/p>
三十多年來，實(shí)驗(yàn)室前身翼型葉柵空氣動(dòng)力學(xué)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，持續(xù)開展翼型和機(jī)翼的基礎(chǔ)理論分析與設(shè)計(jì)方法、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等研究，建立了國(guó)內(nèi)唯一由6個(gè)系列組成的自主高性能翼型譜系，為國(guó)之重器研制做出了突出貢獻(xiàn)。
大型客機(jī)被認(rèn)為是現(xiàn)代工業(yè)皇冠上的明珠，是各項(xiàng)航空技術(shù)的集大成者，也是一個(gè)國(guó)家整體實(shí)力的重要標(biāo)志。C919的成功研制與投入運(yùn)營(yíng)，標(biāo)志著我國(guó)在民用航空領(lǐng)域正在實(shí)現(xiàn)從跟隨者到領(lǐng)跑者的轉(zhuǎn)變，有力提升了我國(guó)在國(guó)際航空市場(chǎng)的地位和影響力，更意味著中國(guó)航空產(chǎn)業(yè)走向了自主創(chuàng)新和自主品牌的道路。
“航空是一個(gè)國(guó)家的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，保證的是整個(gè)國(guó)家的安全，是我們國(guó)家強(qiáng)盛的基本保障。因此，我們需要有創(chuàng)新和探索精神，去發(fā)明新的飛行原理和設(shè)計(jì)技術(shù)，研發(fā)出新一代的先進(jìn)飛機(jī)，實(shí)現(xiàn)航空強(qiáng)國(guó)的夢(mèng)想。”
（文字、圖片、視頻整理：白婧熠；審核：馬西平）
