SNLF翼型设计师丹·萨默斯（左）检查风洞试验中机翼的槽和后段元件。

　　美国田纳西大学牵头的一个团队完成了一项风洞试验，验证一种非常规的翼型设计，可以无须机械装置使机翼的大部分区域保持层流，从而减少飞机阻力和能源消耗。
　　在飞机外表面保持自然层流，是减少飞机阻力和能源消耗的一种已知方法，但在以跨声速巡航的商业客机上实际应用还很困难。
　　不过最近，一个由NASA资助、美国田纳西大学牵头的团队完成了一项风洞试验，表明一种非常规的翼型设计——开槽自然层流翼型（SNLF），可以无需机械装置实现在机翼的大部分区域内保持减阻层流，即使客机是以巡航速度飞行。
　　这个项目在2017年获得NASA提供的990万美元资助，为期5年，对SNLF翼型进行了广泛研究。该计划的目标是展示一种机翼设计概念，与2005年的行业水平相比，能够减少70%的燃料消耗。
　　3月4日，在加利福尼亚州NASA艾姆斯研究中心的3.35米跨声速风洞中，宽度为1.83米、后掠角为12.5°的半模型机翼完成了试验。
　　该项目的重点是将这种翼型应用于波音的跨声速桁架支撑翼（TTBW）概念，用于开发超高效的单通道客机。对于具体设计，这个项目12.5°的后掠角与TTBW概念的马赫数0.75的巡航速度相匹配，从而提供了真实的参考设计点。
　　这个试验件验证了以较低的速度巡航、以最大限度地利用其大翼展、低阻力机翼的节油效益。其中，其机翼后掠角比常规客机要小，更适合保持自然层流。
　　在传统的层流机翼上，只要沿着翼型弦保持有利的、递减的压力梯度，就可以保持平稳流动。加速流动稳定了翼型上的边界层。但随着气流接近后缘，压力必须恢复到与自由流动一致。这种表面压力恢复会导致不利的压力梯度，这会减慢翼型上的气流并使其变为湍流，从而将层流限制在翼弦的50%左右。
　　在进行层流设计时，设计人员希望将有利的压力梯度尽可能地向后推，但必须在某个时候停止，避免过于激进以至于过早产生气流分离。
　　与单一结构翼型相比，创新的SNLF翼型的结构分为两部分，前段和后段，由一个槽隔开。空气从翼型前段的高压下表面向上流过这个槽。SNLF翼型的后段与富勒襟翼没有什么不同，只是它是为巡航而设计的。这两个部段提供了额外的自由度，可以将层流带到更远，并利用离面压力恢复。
　　在SNLF翼型前段的后缘，压力可能低于自由流动，在设计时，可以让气流总是加速流向前段的后缘，从而稳定边界层。
　　边界层在具有弦长更短的后段重新开始，并且压力梯度足以将层流保持在上表面的中弦以外，类似于传统的翼型。但现在，从整体来看，翼型上的湍流面积仅占一小部分。
　　SNLF翼型的设计可使前段上下表面完全保持为层流，而在后段上表面实现60%的层流，在下表面实现100%的层流。结果是，整个SNLF翼型达到约90%的层流。
　　该设计还具有低速优势。开槽翼型在低速时的最大升力系数比传统的单一结构翼型要高得多，在某些情况下会高出50%。此外，项目团队还研究了像富勒襟翼一样偏转SNLF后段，以进一步增加升力。在后段添加一个小的普通襟翼——“襟翼上的襟翼”，也正在研究中。
　　作为一种减少翼型阻力的方法，SNLF翼型于2000年由空气动力学家丹·萨默斯（Dan Somers）构想出来。翼型阻力约占运输机巡航总阻力的三分之一。蒙皮摩擦是翼剖面阻力的一个组成部分，在翼型上，边界层是层流的话，比湍流可以减少多达90%的阻力。
　　萨默斯的原始SNLF翼型是为低速通用航空飞机设计的。大约在同一时间，NASA和波音也在独立研究巡航开槽翼型，以提高波音777远程双通道客机这一级别飞机的速度。然而，随着NASA的领导层变动和波音787的推出，这个想法逐渐淡出视野。
　　著名的NASA空气动力学家理查德·惠特科姆（Richard Whitcomb）在20世纪60年代中期研究了开槽翼型，当时他正在努力延缓阻力发散马赫数，并使商用飞机能够以更高的速度巡航。风洞试验很有希望，但最终，惠特科姆的单结构超临界翼型作为一种更简单的解决方案出现了。
　　当NASA于2016年开始研究这项技术时，核心目标还是发展超高效商用飞机，而层流被列为一项使能技术，而最终试验结果表明，开槽翼型有利于跨声速流动的效率。
　　惠特科姆最初的超临界翼型概念是双段翼型，原因完全相同，那就是能实现离面压力恢复并试图削弱激波。田纳西大学的团队在研究过程中将问题定位为一个多学科问题，将飞机视为一个系统，而不仅仅是空气动力学，这样可以确保不会带来结构重量或噪声方面的问题。
　　21世纪初，根据NASA与波音关于开槽翼型的研究显示，这项技术有好处，但也有挑战。这些包括：来自开槽狭缝额外浸润区域蒙皮的摩擦阻力，对机翼弯曲时狭缝尺寸微小变化的敏感性，以及支撑翼型后段的支架结构复杂性。
　　其中，有一个担忧是颤振。不过，NASA在波音777飞机的基础上进行了巡航开槽翼型的风洞试验，证明了颤振不是一个阻碍因素。
　　此外，还研究了是否应该在某些飞行状态下关闭巡航槽位并在其他状态下打开。但事实是，如果翼型表面都是湍流，额外的浸润区域是一个问题；但是，如果保持层流边界层，这个问题就不复存在。
　　随着田纳西大学的研究接近尾声，该团队已经完成了诸如SNLF翼型的巡航设计和分析、低速性能计算和风动试验，以及研究如何在先进飞机中使用主动流控制以利用充分发挥机翼的性能。
　　该团队对气动弹性效应和结构设计进行了大量研究，因为担心翼型上的流动对槽宽度的敏感性。不过，自2000年代初以来，计算流体动力学和复合材料结构的进步一直是SNLF概念的“巨大推动力”，提高了设计和制造精确性和槽结构的刚度，以保持形状。
　　研究人员已经理解了气流对槽形状的敏感度，并完成了对翼型的低速特性研究。在仿真模拟中，团队看到了期望的性能改进。各种不同的分析表明，可以在SNLF翼型上获得稳定的边界层，并长时间保持。
　　NASA 最近的风动试验也表明，该模型在空气动力学上的表现与预测的一样，红外热成像证实了在其巡航设计条件下，SNLF翼型前段实现了全弦层流。该试验还证实，SNLF翼型后段在低速时可作为高升力装置。最为关键的是，试验数据验证了SNLF翼型可用于商业运输。 （王亚林）