現代航空技術正朝著寬空域、寬速域、超隱身和超機動的方向迅猛發展，對應的航空動力裝置也在向高效化、高速化、寬域化、一體化和智能化的方向快速演進。面向單設計點工況的傳統設計手段已難以滿足未來航空器的發展需求，而基于主動流動控制思想的系統設計技術顯示出巨大潛力。主動流動控制技術（Active Flow Control, AFC）是一種通過在流動環境中引入外界擾動和能量注入來控制流體流動的方法，與被動控制技術相比，它具有更好的變工況性能，能夠根據工況變化調整控制參數，實現最優控制效果。湖南泰德航空技術有限公司帶您深入探討主動流動控制技術的核心優勢、在航空動力系統中的應用以及國內外技術創新，特別是以發動機空氣系統引氣作為能量源頭的主動流動控制技術。

一、主動流動控制技術的核心優勢

1.1 與被動控制技術的比較

被動流動控制技術只能控制特定狀態，控制參數不可實時調節，不需要額外能量，包括鼓包、渦流發生器、格尼襟翼、翼梢小翼等。這些技術雖然在特定條件下有效，但缺乏適應性。主動流動控制技術則需要額外能量，可以根據需要調節激勵參數對流場進行控制，效率更高，包括吹氣、吸氣、環量控制、合成射流、等離子體激勵器等。

主動流動控制技術的獨特優勢主要體現在以下幾個方面：

動態適應性：能夠根據飛行狀態實時調整控制參數，適應復雜多變的飛行環境。例如，在壓氣機中，主動控制可以抑制流動分離，拓寬穩定工作范圍。

高性能增益：通過精準控制流動分離和渦流生成，顯著提升氣動性能。研究表明，采用流體振蕩器等主動控制裝置，能使壓氣機總壓損失降低12.7%以上。

隱身性能提升：無舵面設計通過主動流動控制實現飛行控制，顯著降低雷達反射截面，增強隱身能力。

系統集成度高：主動流動控制技術可以與飛行控制系統深度集成，實現飛發一體綜合控制，提高整體飛行性能。

1.2 技術成熟度與應用前景

流體振蕩器由于其較高的工作魯棒性和可靠性，在航空應用領域受到了極大的關注，其全尺寸、全系統的飛行演示驗證已經完成，具有較高的技術成熟度，在高速、高溫、大尺度等復雜工況環境下具有較好的應用前景。2024年，美國國防預先研究計劃局（DARPA）正式開展X-65驗證機項目，驗證主動流動控制技術工程應用的有效性，以期主動流動控制技術能成為航空飛行器及航空動力技術的重要突破點。

二、該技術在航空動力系統中的作用

2.1 抑制流動分離，提升氣動性能

航空動力裝置中的壓縮系統存在較強的逆壓梯度，易發生流動分離，導致性能下降。主動流動控制技術通過向流場注入能量，抑制流動分離，從而提升氣動性能。中國航空發動機研究院和哈爾濱工業大學的研究團隊，分別采用脈沖型和掃掠型流體振蕩器，對靜子角區分離流動、靜子吸力面分離流動，以及轉子葉頂的二次流動進行了主動控制效果驗證，取得了較為顯著的收益。

針對S形進氣道和雙轉子壓氣機采用的S形中介機匣流道內容易出現流動分離的問題，中國航空發動機研究院的研究團隊采用由32個流體振蕩器組成的大型陣列，使用0.6%的激勵流量，就使出口截面處的總壓損失和總壓畸變改善了20%左右，消除了內部存在的大尺度分離，證明了流體振蕩器主動激勵的有效性。

2.2 增強飛行控制能力，實現無舵面設計

隨著飛行器越來越追求極致的隱身性能，航空動力系統參與飛行過程控制的重要性也越來越凸顯。發動機空氣系統引氣作為主動流動控制激勵的能量源頭，采用氣動推力矢量控制、機翼環量控制、翼面分離抑制等主動流動控制技術，在無舵面參與的條件下，可以大幅提高飛行器的機動性能。

中國航空發動機研究院聯合上海交通大學、中國民航大學等研究團隊，提出了基于振蕩射流激勵的氣動推力矢量控制技術和氣動環量控制技術。基于微型渦噴發動機氣動推力矢量試驗測試平臺，在97%的轉速下，進行了自引氣康達附壁氣動推力矢量技術的地面驗證試驗，在壓氣機自引氣流量2.3%條件下，氣動推力矢量偏角可達到12°。研究團隊構建了微型渦噴發動機與機翼環量控制技術之間的物理集成驗證系統，通過與機械舵面飛機的虛擬飛行試驗對比，在發動機轉速大于67%時，飛行器具有等效機械舵偏角大于20°的能力。

2.3 拓寬穩定工作范圍，提高發動機適應性

主動流動控制技術能夠有效拓寬壓氣機和風扇的穩定工作范圍，提高發動機在復雜工況下的適應性。掃頻射流激勵器（SJA）作為一種新型的非定常主動流動控制技術，具有射流覆蓋范圍廣、能量利用效率高、僅通過定常輸入即可產生非定常作用效果等優勢，在消除靜子角區分離、抑制轉子葉尖泄漏流等方面具有廣闊應用前景。

哈爾濱工業大學研究團隊針對壓氣機葉柵內的角區分離問題，提出了兩種基于SJA的主動控制策略：葉片吸力面角區SJA布置策略和端壁SJA布置策略。研究表明，通過使用不超過葉柵進口總流量0.5%的激勵流量，可使葉柵總壓損失相比原型方案最大下降12.7%。

三、國內外主動流動控制技術的創新與驗證

3.1 國內技術創新與驗證

國內多個研究團隊在主動流動控制技術方面取得了顯著進展。中國航空發動機研究院搭建了高速紋影測試系統（如下圖），聯合上海交通大學的研究團隊，開發了紋影測速方法，對高亞聲速和超聲速噴射下的振蕩射流形態和設計規律進行了系統研究，揭示了特征尺寸、出口幾何張角設計等參數變化對流體振蕩器工作頻率、掃掠張角等核心工作特征的影響規律。

國防科技大學羅振兵、趙志杰等人提出了基于無源合成雙射流的飛行器新型滾轉控制技術，并進行了飛行試驗驗證。該技術無需氣源和管路供應系統，消除了“有源”射流飛控技術氣源和管路閥門帶來的結構復雜、重量大、能耗較高、管路泄露、閥門失效、停車失控等問題，不會造成推力損失。

廈門大學劉汝兵、林麒等研究了基于等離子體合成射流的S形進氣道主動控制技術。通過正交實驗法確定了控制位置、布局形式、動量系數和激勵參數的最優組合，使壁面靜壓系數提高最大可達127.8%，出口穩態畸變指數降低了9.15%。

3.2 國外技術創新與驗證

國外在主動流動控制技術方面的研究同樣取得了重要進展。2024年，美國國防預先研究計劃局（DARPA）正式開展X-65驗證機項目，驗證主動流動控制技術工程應用的有效性。無尾飛翼布局代表下一代飛行器的典型氣動布局，無舵面飛行控制技術可以顯著增強飛翼飛行器的高隱身性能和有效載荷能力，使其成為一種顛覆性技術，已獲得廣泛關注并逐步應用于先進飛行器中。

美國空軍研究實驗室和NASA等機構也在積極開發基于主動流動控制的飛行控制技術，如環量控制、流動分離控制和分離誘導控制等，并在多個驗證機上進行了飛行測試。

四、發動機空氣系統引氣的核心優勢

4.1 氣動推力矢量控制

發動機空氣系統引氣作為主動流動控制激勵的能量源頭，為氣動推力矢量控制提供了可能。中國航空發動機研究院聯合上海交通大學、中國民航大學等研究團隊，提出了基于振蕩射流激勵的氣動推力矢量控制技術。基于微型渦噴發動機氣動推力矢量試驗測試平臺，在97%的轉速下，進行了自引氣康達附壁氣動推力矢量技術的地面驗證試驗，在壓氣機自引氣流量2.3%條件下，氣動推力矢量偏角可達到12°。

4.2 機翼環量控制

機翼環量控制利用流體在曲面外形上的科恩達效應實施控制，通過在翼型圓弧后緣上表面放置切向射流，推遲邊界層流動分離，增加翼型環量，進而大大提高翼型的升力。中國航空發動機研究院構建了微型渦噴發動機與機翼環量控制技術之間的物理集成驗證系統，通過與機械舵面飛機的虛擬飛行試驗對比，在發動機轉速大于67%時，飛行器具有等效機械舵偏角大于20°的能力。

4.3 翼面分離抑制

翼面分離抑制是主動流動控制技術的另一個重要應用領域。通過向邊界層注入能量，可以延遲流動分離，提高升力和減小阻力。掃頻射流激勵器（SJA）被廣泛應用于翼面分離抑制，其通過內部射流周期性地在混合腔兩側壁面附著，形成射流方向連續掃掠的動態輸出，具有射流覆蓋范圍廣、能量利用效率高等優勢。

4.4 自激勵掃頻射流激勵器技術

自激勵掃頻射流激勵器（SSJA）作為一種零能量輸入的非定常流動控制技術，通過壓氣機流場內部壓差實現SSJA的自激勵射流。與SJA主動流動控制技術相比，該技術無需外部氣源供給，利用葉柵壓力面與吸力面的壓差，在吸力面產生非定常掃頻射流。SSJA無需復雜的供氣管道和調節閥，顯著降低了系統復雜度，提升了工程應用可行性。

南京工業大學陸惟煜等提出了無源自激勵射流葉片設計，通過數學公式的推導證明SSJA可產生與主流速度相近的出口速度，在不同工況下可使壓氣機葉柵總壓損失系數降低2.8%～9.6%，且射流參數隨來流條件呈現自適應特性。

五、主動流動控制技術面臨的挑戰與展望

盡管主動流動控制技術顯示出巨大潛力，但仍面臨一些挑戰：

技術性問題：缺乏對流動控制機理的全面認識及其應用的深入研究，對飛行器實際飛行環境的流動控制機理了解以及應用研究比較少；部分新型流動控制技術控制來流速度的范圍十分有限。

可靠性問題：主動控制技術面臨嚴峻的可靠性問題，對于閉環控制技術和動態控制過程的研究很少；整個控制系統涉及電子、電路、機械、材料等復雜系統，保障系統安全、有效的運行是一個挑戰。

工藝性問題：主動流動控制激勵器涉及復雜系統，實際應用的要求很高，難以在成型的飛行器上直接安裝使用。其實際應用需要提升到總體設計的戰略高度考慮，進行飛行器總體及主動流動控制技術應用的一體化設計。

未來發展方向包括：

發展先進的實驗測試技術，包括體視PIV、層析PIV等三維流場測速技術以及壓力敏感漆全流場測壓技術等，以更好地理解流動控制技術的物理機理及其應用規律。

完善能夠精確模擬流動控制技術在飛行器上用的數值方法。

根據量綱分析、相似準則等原理提取飛行器實際飛行的相關參數，于風洞中開展實驗研究；開展飛行實驗研究，驗證其控制效果，為實際應用積累經驗。

改進現有的流動控制技術并且發展新概念流動控制技術，將不同流動控制技術結合來實現新的控制功能，以克服單一流動控制技術的某些缺點。

主動流動控制技術作為未來航空飛行器及航空動力技術的重要突破點，具有動態適應性、高性能增益、隱身性能提升和系統集成度高等獨特優勢。通過發動機空氣系統引氣作為能量源頭，采用氣動推力矢量控制、機翼環量控制、翼面分離抑制等主動流動控制技術，可以在無舵面參與的條件下大幅提高飛行器的機動性能和隱身能力。國內外研究團隊在主動流動控制技術的驗證過程中取得了顯著技術創新，如流體振蕩器、掃頻射流激勵器、無源合成雙射流等技術的研究與應用。

然而，主動流動控制技術仍面臨技術性、可靠性和工藝性等挑戰，需要進一步發展先進的實驗測試技術和數值方法，深入開展流動控制基礎研究和應用研究，提升流動控制技術在飛行器設計中的地位，實現飛行器總體及流動控制應用的一體化設計。隨著這些技術的不斷成熟和完善，主動流動控制技術將在航空動力系統領域發揮越來越重要的作用，為未來航空器的發展提供堅實支撐。

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