科學家提出新型高超聲速飛機氣動布局

近日，中國科學院力學研究所在SCIENCE CHINA Physics、Mechanics & Astronomy上，發表題為Hypersonic I-shaped aerodynamic configurations的封面論文。該論文提出了一種全新的「I」型雙升力面布局，採用這種布局的飛行器可同時滿足高升阻比、高升力係數和高容積率的「三高」需求，為未來高超聲速飛機的設計開闢了新途徑。

高超聲速飛機的飛行速度一般可達現有飛機的7倍以上，可大幅縮短飛行時間，為未來洲際旅行提供一種更快捷舒適的交通工具。飛行器的氣動布局一般須具有「三高」特點，即高升阻比以保證其航程，高升力使其在高海拔巡航飛行條件下保持升重平衡，高容積率以滿足載客/載貨需求。但由於在高速飛行條件下，激波和摩擦阻力急劇上升，飛行器的升阻比很難提升。此外，升阻比和升力係數均與容積率存在強烈的矛盾關係，這是現階段制約飛行器氣動性能提升的瓶頸問題。

針對上述問題，研究團隊提出了一種全新的氣動布局概念，其主要特徵是採用雙升力面立體布局，因軸向投影形狀類似於英文字母「I」，故命名為「I」型布局。該布局的核心思想是採用原創性「高壓捕獲翼」設計原理，通過在傳統布局上方增加額外的升力面來有效捕獲兩次壓縮後的高壓氣流，產生高升力，並大幅提高飛行器的升阻比，進而有效緩解容積率與上述氣動參數間的矛盾關係。在此基礎上，運用數值模擬、實驗設計和數值優化等技術開展了構型優化，並基於高精度數值模擬對其性能進行評估。結果表明，其在大容積率（約0.175）條件下可獲得超過4.5的升阻比，且在最優升阻比條件下升力係數較乘波體等現有先進布局提高達60%左右。

研究工作得到了國家自然科學基金以及高溫氣體動力學國家重點實驗室的共同資助。

高超聲速飛機的一種「三高」雙翼氣動布局

高超聲速「I」型布局方案的原理測試模型（左）和設想效果圖（右）

來源：中國科學院力學研究所

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