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民用飞机高升力系统的先进技术与发展趋势

期刊:航空学报DOI:10.7527/s1000-6893.2022.27516

文献报告

作者及发表信息

本文题为《民用飞机高升力系统先进技术及发展》,作者马高杰、安刚、史佑民、康宁和孙军帅,单位为庆安集团有限公司(位于西安)。文章发表于2023年6月25日的《航 空 学 报》(Acta Aeronautica Et Astronautica Sinica),第44卷增刊(S1),文章编号为727516。


论文背景与研究目的

该论文的主要研究领域为飞机高升力系统(High-Lift System)的先进技术及其在未来民用航空中的应用前景。高升力系统作为飞机飞行控制关键组成部分,直接影响飞机的起飞、降落性能以及飞行安全性。然而,现有技术仍然存在诸多问题,如机翼增升增阻效率低、噪声较大、结构复杂性限制了减重和维护性能等。因此,绿色航空技术的提出为研究新型高升力系统提供了指导方向。论文结合全球绿色航空理念,通过运用TRIZ动态进化创新理论,分析总结现有国际先进技术,并对下一代民用飞机高升力系统技术发展方向进行了深度探讨,旨在为未来研究和工程应用提供指导。


论文主旨与主要观点

新一代飞机高升力系统技术综述

论文综述了国际民用飞机高升力系统中应用的先进技术,并对新一代飞机(如A320neo, A350xwb, Boeing 787等)中使用的创新技术进行了详细分析,包括: 1. 封闭式下垂前缘襟/缝翼技术:如A350xwb中的下垂前缘襟翼和B787中的克鲁格襟翼,这些技术优化了飞机的升阻比(Lift-to-Drag Ratio),降低了低速阻力,减噪性能显著。 2. 自适应下沉式铰链襟翼和扰流板下偏技术:A350xwb通过优化襟翼与扰流板的缝隙设计,提高层流状态,减少紊流,增强升力表现。 3. 后缘襟翼变弯度技术:通过襟翼差动控制改善升力分布,使结构载荷优化,增加航空燃油经济性,并对非标准飞行条件提供横滚辅助功能。 4. 电子力矩限制技术:采用实时监控的电子技术替代传统机械力矩限制器,提升了系统的响应能力和安全性,同时减少了重量。 5. 电池动力驱动技术:A320neo创新性地利用锂电池储能和双电机驱动,提升动力驱动系统的功效,并有效实现减重。

技术发展的未来趋势

论文采用TRIZ动态创新理论和综合系统化方法学,系统预测了未来高升力系统技术发展的四大方向: 1. 精细化增升与智能增升: - 从简单增升(如单开缝襟翼)和复杂增升(如多开缝富勒襟翼)发展到基于襟翼差动控制、控制面共享的综合增升方式; - 未来朝向翼面连续变化的智能增升技术,利用光滑、无缝变弯度技术实现升阻比提升和飞行性能优化。

  1. 集成健康管理与能源负载自适应

    • 从机械操纵方式到模拟信号控制,再到数字电传控制的演进;
    • 集成健康管理功能,可实时预判并修复故障;
    • 通过能源负载自适应技术,优化瞬时功率需求,避免能源系统的冗余设计带来的重量和风险。
  2. 智能柔性自适应机翼与降噪

    • 延续简单铰链和四连杆滑轨向完全智能化柔性机翼发展的趋势;
    • 引入分布式驱动技术、变弯度机翼技术以及柔性自适应设计;
    • 降低传统开缝高升力系统的噪音源,实现静音和减阻。
  3. 复合材料应用技术

    • 新一代飞机(如B787和A350xwb)已将先进复合材料(占比分别为50%和53%)广泛应用于高升力系统零件中,如复合材料扭力管和柔性万向节;
    • 减少结构复杂性与零部件数量,提高整体维护性和环境适应性。

各技术的具体分析

高升力系统综合增升技术
  1. 传统增升装置(如单/双/三开缝襟翼)虽气动性能逐步提升,但结构复杂性增加,难以进一步优化。
  2. 通过差动控制技术,未来可以在不同飞行阶段实现最佳状态机翼构型。例如,襟翼的差动控制可以动态调整内外襟翼的偏角,优化翼面流场,减小阻力,提高巡航效率。
专用健康管理与智能化控制
  1. 研究针对传统钢索驱动液压系统的液压驱动复杂性问题,提出通过数字电传控制实现实时数据监控与故障预测;
  2. 智能健康管理功能延伸至襟翼/缝翼操作不对称问题,使其具备保护功能和运行安全保障。
能源与负载自适应技术
  1. 传统方式可能因冗余设计要求导致系统中过大的能量浪费,A350xwb通过配备变排量马达与负载自适应技术,可减少一半流量需求,同时实现减重。
  2. A320neo通过双通道锂电池储能驱动技术既满足瞬时高功率需求,又减少飞机电源设计负担,实现多重收益。
降噪和柔性翼面发展

课题中指出,噪声控制为绿色航空技术的核心之一。无缝结构和柔性机翼技术可避免传统开缝装置产生的紊流噪声。例如,“手指型”变弯度柔性机翼设计可自适应调整表面形态,满足不同飞行模式下的需求,同时优化空气动力学性能。


论文的意义和科学价值

通过对新型民用飞机高升力系统技术的深入分析,本文提出了系统化解决方案和技术路线,为绿色航空技术的发展提供了核心参考价值。这些技术具有如下科学意义与应用潜力: 1. 提升未来飞机在起飞与降落阶段的性能; 2. 实现油耗优化及环保目标; 3. 推动航空产品设计向智能化与集成化迈进。

此外,本文对新技术可能带来的工程化挑战进行了理性分析,如复合材料解决方案中的夹层结构设计、不同材料的接合方式及失效机制分析等。


小结

文章详细分析了高升力系统技术的现状、应用实例、未来趋势及可能应用的颠覆性新技术,创见性提出智能柔性机翼与精细化增升路径,助力绿色航空。在未来,智能化、复合材料、高效增升和降噪等技术必将成为绿色航空发展的核心驱动力,同时将对航空工业带来全新技术挑战和机遇。

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