高速飞行器主动流场控制器的利弊分析

0　引言

高超声速飞行器已成为未来飞行器发展的重要方向，在继四代战斗机之后成为各主要军事强国的重点研究对象，配合人工智能和自主控制技术，成为未来国防“空天一体”理念的主流战机。高超声速飞行器在高超声速飞行状况下面临高热流、高动压和高过载的强约束，其气动控制能力也同普遍意义的超音速飞行器下降一个等级，传统意义上的气动舵面很难对高超声速飞行器进行控制，因此主动流场控制技术是高速飞行器未来进一步发展的关键因素。目前主动流场控制技术主要分为4种，吹气和吸气、微吹气或微射流、零质量射流和等离子体方法，这4种方法分别从不同的物理和化学机理来改变飞行器表面的流场形态，从而达到控制飞行器气动特性的目的，但每种方法都存在一定的适用性和局限性。

本文主要对现阶段不同流场主动控制器的利弊逐一分析，列举4种典型的主动流场控制，并从能耗、稳定性、精度和成本等指标进行对比，从而探索得出新型的优势更多的流场主动控制器。本文设计的新型流场主动控制器利用微机电系统（MEMS）技术，结合柔性材料，提出一种在高超声速飞行下的自适应伸缩的流场主动控制器，以满足不同速度下的流场控制，提高流场控制的效率和可靠性。

本文具体由以下几个方面组成，第1部分分析主动流动控制技术的主要方法和相关原理；第2部分从能耗、稳定性、精度和成本指标对4种典型的主动流场控制技术进行利弊分析；第3部分结合MEMS技术和柔性材料技术提出一种新型的流场主动控制器设计方法；第4部分给出系统综合分析和结论。

1　主动流动控制技术

1.1　吹气和吸气

早在1904年，物理学家普朗特就提出边界层理论，同时开展了用抽吸方法控制圆柱绕流流动和推迟流动分离的实验，实验结果表明流体流动可以得到有效控制。最早的控制方法主要为吹气和吸气。吹气是指在激波与壁面交点附近通过喷口向边界层注入气流，提高边界层底层气流动能，从而有效减少，甚至避免边界层干扰造成的气流分离。吸气是通过抽吸底部低能量层，使边界层抗逆压梯度能力增强，进而有效减弱边界层干扰。

吹气和吸气技术目前已得到广泛使用，如直升机旋翼、发动机进气道、涡轮叶栅等，导弹弹头或飞机机头大多也采用此方法提升气动性能。

1.2　微吹气或微射流

吹气技术是最早出现的流场控制技术之一，然而其在实用方面存在效果不明显、主动性较差等问题，学者们继而提出了微吹气和微射流技术。近年来，各研究院提出了许多控制技术，如边界层吸除、气体吹除和起伏进气道等。其中，气体吹除法具有结构简单、参数调节方便等优点，而微吹气技术又是气体吹除法中最为实用的一种。实验表明，高速飞行器周围流场流动存在一个转折点，当流体经过该点，层流流动状态就不可避免地转换为具有随机运动特点的湍流流态。湍流运动相干结构的发现为流场主动控制技术开辟出一条新的道路。它指出，通过诱导可以改变湍流运动。微吹气或微射流技术就是主动地向受控流体中注入大量微扰从而实现流场宏观耦合进而影响大尺度流动。微吹气技术在20世纪90年代问世，很快成为减少高速飞行器湍流阻力的主要方法，于1998年获得专利。图1为NASA兰利研究中心利用微射流技术对翼身融合布局新概念运输机“蛇形”进气道进行主动流动控制研究，以提高发动机效率。

图1　“蛇形”进气道微吹气流动控制

1.3　零质量射流

零质量射流是一种不依靠外部流体输入而改变流场流动的主动流场控制技术。1994年，乔治亚理工学院的研究团队成功研制出一种压电式零质量射流作动器-压电薄膜振动式作动器，如图2所示。零质量射流技术目前主要分为4种方式：压电膜振动式、活塞振动式、声激励式和形状记忆合金动作式。

图2　压电膜式零质量射流激励器

1.4　等离子体

等离子体主动流场控制是基于等离子体气动激励原理的一种新型主动流场控制技术，该技术利用等离子体在电磁场作用下运动或气体放电引起温度、压力变化造成流场局部扰动，实现飞行器减阻增升和发动机增推扩稳的目的。随着对高速飞行器性能要求的进一步提高，各国都加大了对等离子体发生器的研究。美国大气辉光技术公司在高效、高鲁棒性的等离子体激励器研制方面取得突破，如图3所示，并准备将其用于无人机的自主控制。美国空军科研局也宣布在柔性等离子体激励器技术方面取得突破性成果。通用电气公司、波音公司、普惠公司霍尼韦尔、贝尔公司等公司申请了大量有关于等离子激励器的专利，以满足未来产品发展。等离子体激励器已成为目前主流的流场主动控制技术，逐渐展现出基础研究和广泛应用相结合的趋势。

图3　等离子体激励器

2　流场主动控制器利弊比较

根据以上分析，本文选择能耗、稳定性、精度和成本4个方面对上述流动主动控制器进行利弊分析，为不同飞行器的主动流场控制提供方法选择支撑和参考。能耗主要体现主动流场控制所需能源的量度和动力系统的复杂性，稳定性主要考虑主动控制方法是否能在较好的工况下稳定良好工作，精度反映主动控制方法调节和控制的误差大小，成本则用于衡量流场主动控制方法的经济性。4种典型流场主动控制方法利弊比较如表1所示。

表1　典型流场主动控制方法利弊比较

3　新型主动流场控制器

3.1　控制器结构

通过上文对现有主动流场控制器的归纳分析和对比研究，本文设计了一种新型主动流场控制器——基于MEMS器件和自适应材料的流动主动控制技术。通过结合两者优势设计出一种新型的、高效率的、基于MEMS器件和自适应柔性材料的流动主动控制技术，设计结构如图4所示。

图4　基于MEMS和柔性材料的新型流场主动控制器

3.2　设计原理

新型主动控制器采用典型的层流控制器，由预测传感器、控制器、执行器和校正传感器4部分组成一个闭环控制系统，如图5所示。预测传感器和校正传感器分别位于执行器流场的上下游，预测传感器实时测量流场相关参数，提供给控制器，控制器对流动状态进行辨识和预测，计算控制信号，执行器按控制器指令完成控制动作，对控制动作做实时修正和优化，从而完成对流场流动的自适应控制，柔性材料的控制器能尽可能适应流场形态，减少气动阻力。

图5　层流主动控制系统原理

执行器的设计采用片状执行器，片式微型执行器在电流驱动下工作，振动片不仅可以离开物面偏转一定角度，并能绕平衡位置按要求幅度、频率振动，给原流场施加一定干扰量，影响或改变流场流动状态，从而改变流场形态,达到增升减阻的目的。

4　结论

本文对目前高超声速飞行器的流场主动控制技术进行了分析和归类，并从能耗、稳定性、精度和成本方面对其进行利弊分析，为飞行器的流场主动控制器选择和设计提供了参考。在此基础上，结合微加工和微电子为基础的MEMS技术和柔性材料技术提出一种新型的具备自适应伸缩的流场主动控制器，用以解决目前高超声速飞行器流场主动控制方法难以适应和利用的问题，使得高超声速飞行器流场主动控制方法能更好地进入实用阶段。本文设计的新型流场主动控制器为未来的高超声速飞行器流场主动控制提供了技术支持与参考。

参考文献

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收稿日期：2018-12-13

作者简介：虢润坤（2000-），男，山东莒县人，大连市育明高级中学学生，研究方向：空气动力学。