高速飛機急傾側空氣漩渦失穩 研究精準定位危險臨界角

當高速飛行器喺飛行過程中急劇傾斜時，周圍空氣就唔再順暢流動，而係形成旋渦流，呢啲旋渦會迫使飛行器橫向偏移、引發非預期旋轉，或者損壞感應器同翼瓣。最近 FAMU-FSU 工程學院進行嘅一項研究，精準識別咗呢啲旋渦幾時同點樣變得危險。呢啲發現對設計更穩定導彈同高性能飛行器有直接影響。研究由機械及航空工程系主任兼 Florida Center for Advanced Aero-Propulsion 主任 Rajan Kumar 領導，合作者包括博士生 Jordan Wilkerson 同副教授 Un

nikrishnan Sasidharan Nair。項目獲 Army Research Office 資助。

高攻角下的挑戰

當錐形飛行器機頭穿過空氣時，旋渦自然喺後方形成。喺低攻角（即飛行器相對於來流空氣嘅傾斜程度）下，呢啲旋渦保持平衡、对稱同可預測。喺呢啲情況下，飛行器會如預期般回應控制輸入。但超過臨界攻角後，情況就變咗。旋渦變得更大同不穩定，分解成非對稱旋渦流。機身兩側嘅不均勻結構會產生非預期側向力同旋轉力矩，導致飛行器偏離航向或無駕駛員輸入下旋轉。喺軍事應用中，呢啲偏差可能決定目標係成功命中定係錯過。

研究人員結合風洞實驗同先進計算流體動力學模擬，模擬 Mach 1.1（剛好超過音速）下錐形前身喺三個攻角嘅超音速氣流：15°、25° 同 30°。 | 攻角 | 旋渦行為 | |——|———-| | 15° | 主要旋渦分解成複雜雙螺旋圖案，由兩個交織螺旋結構組成，之後分裂成多條細小糾纏嘅旋渦氣流帶。呢種行為雖然高度複雜，但仍保持結構化。

| | 25° 同 30° | 分解圖案根本改變，呈現單螺旋圖案，顯示質上不同、更嚴重嘅不穩定形式。機身側向力同旋轉負荷顯著增加。 | 呢啲發現顯示，旋渦非對稱性唔係隨攻角線性增加，而係性質轉變，變得反覆無常，現有空氣動力學模型未能完全捕捉。 旋渦非對稱嘅機制係小次級旋渦喺氣流中形成，並與較大嘅主要旋渦互動。隨互動加劇，次級結構合併成較大形態，破壞主要旋渦對稱性，引發由穩定流向反覆無常流嘅轉變。

旋渦大小同相對於飛行器嘅方向決定對飛行器施加力嘅大小。Kumar 強調呢啲發現嘅重要性：飛行中嘅飛行器承受極端力，隨速度同機動增加而加劇。理解底層機制，對設計能管理或修正呢啲力嘅系統至關重要。研究原刊於 Journal of Aircraft。