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德国为短距起降客机开发静音主动高升力系统
王元元

2017-07-24 | 聚焦

据美国《航空周刊》网站2017年7月20日刊文,凭借在商用飞机高升力系统方面的专业积累,德国正在为增加飞机设计灵活性、提高效率和降低噪声研发下一代主动高升力系统。

位于布伦瑞克的德国国家协同研究中心(CRC)880正在为传统构型客机研发主动高升力系统,同时也针对短距起降客机研发技术和经济上可行的关键技术。CRC 880由德国国家研究基金会成立,坐落于布伦瑞克工业大学,还包括德国宇航院(DLR)位于下萨克森州的研究所。

短距起降(STOL)客机被认为是能够满足欧洲航空运输远期发展目标(增大空运系统容量、减小门到门的旅行时间)的可行方案之一。这种方案可以使用跑道更短的、距离乘客聚集区更近的小型机场。但也对降低噪声提出了更高的要求。DLR的简·戴夫斯6月在美国丹佛举行的AIAA 2017年会上表示,“我们需要将短距起降就等同于高噪声的传统想法改变,我们要开发静音短距起降客机技术。”

CRC 880目前正在以静音STOL客机概念为牵引研发下一代主动高升力系统。该系统采用的关键部件包括后缘吹气式科恩达襟翼和前缘无缝柔性下垂襟翼,计划今年开始试验。CRC 880研究的背景机是一架100座级STOL客机,包括两种方案,一种是采用先进涡桨发动机、航程3000公里、巡航Ma0.74的方案,最近研究的一种是采用翼上后缘安装双发涡扇发动机的方案REF3。

REF3方案采用的翼上安装发动机布局可以屏蔽发动机风扇噪声,并使得能够安装更加静音、尺寸更大、涵道比更大的发动机。

REF3方案让人联想起德国历史上不太成功的小型客机VFW614,但是最近洛·马为美国空军和NASA研发的混合翼身布局采用了翼上安装发动机的构型,这可能也是CRC 880再次研究这种构型的部分原因。洛·马和CRC880的研究均发现,通过细致地调整发动机在机翼上的安装位置能够同时起到降低风扇噪声和巡航阻力的目的。戴夫斯表示,除了降低前向风扇噪声,翼上安装发动机构型也可以降低后向风扇噪声。它同时还消除了传统翼吊布局产生的机翼下表面的反射噪声。

合理的定位发动机在机翼上方后缘的安装位置可以产生有利的气动干扰,降低巡航波阻。

翼上安装发动机构型同样使得静音和节油效果更好的超高涵道比发动机的安装变得容易,否则更大尺寸的发动机在翼下安装的话将需要更长、更重和噪声更大的起落架以提供足够的离地间隙。

CRC 880高升力系统的核心是使用全翼展的环量控制吹气后缘科恩达襟翼产生高效的升力。沿机翼后缘科恩达曲面切向吹出的扁平喷流能够保持大偏度襟翼的附着流动,增大翼型产生的升力。除了后缘吹气科恩达襟翼,前缘也采用了下垂柔性襟翼,它可以阻止流动分离以及由后缘吹气产生高环量引起的机翼失速。相比传统前缘襟翼,它改善了气动效率,增加了升力和失速迎角。

CRC 880高升力系统的另一个特点就是舵面展开后没有缝隙,消除了传统后缘襟翼和前缘缝翼(尤其是起降阶段)的噪声源。前缘下垂襟翼采用复合材料结构,内部安装有作动器,可以驱动前缘产生光滑变形,但也必须提供结冰、闪电和腐蚀防护。

后缘增升采用可调的周期式吹气,CRC即将对分段吹气槽装置进行风洞试验。每段吹气槽的高度通过压电作动器调节。同步的二维和展向连续变化的三维周期性吹气将被测试。

CRC 880主动高升力系统包括无缝的前缘下垂襟翼和动态吹气后缘科恩达襟翼

后缘的周期性吹气属于动态吹气,这种方式带来的预期收益是“惊人的”,相比定常吹气的所需功率大大降低。研究人员表示,该方案的终极目标是利用集成在吹气唇口和科恩达表面的传感器进行闭环自适应控制,这种技术将在水洞中进行测试。

与从发动机引气进行后缘吹气(这种方式增加了发动机功率损耗,需要增加发动机尺寸)的方式不同,CRC 880主动高升力系统采用集成到机翼内、靠近科恩达襟翼布置的6个分布式电驱动空气压缩机,这种压缩机的原型机直径128毫米,功率80千瓦,采用永磁同步电机驱动单级跨声速压缩器在60000转/分钟的转速下提供高增压比,目前正在研制中。

后缘吹气的流量需求随着吹气槽从机身向外侧副翼的逐渐变窄而变小,因此需要6个不同的压缩机。此外,机翼外侧副翼处的压缩机不只是用来产生升力,同样也用来机动控制,因此它需要更高的增压比。

虽然消除了传统高升力系统的缝翼和滑轨产生的噪声源,但是吹气襟翼本身也会产生噪声。试验表明,可以通过多孔后缘襟翼结构减小湍流噪声。但这种方式会降低升力,因此CRC 880开发了一种最小化升力损失的复合结构襟翼,即襟翼从前部到后缘逐渐从固体表面过渡到多孔表面。利用冷轧多孔铝可以线性地改变孔渗透率。戴夫斯表示,已经安排了量化吹气襟翼产生噪声的试验计划。

采用翼上安装发动机布局的一个潜在缺点是增加舱内噪声。但是翼上安装的大涵道比发动机(涵道比17)已经相比传统涡扇发动机(涵道比5)的噪声声压级大幅降低;此外,喷流噪声的影响区域向后机身移动,面积大大减小。

另一个担心的科恩达襟翼,当它展开时会产生较大的阻力,需要额外的推力,并产生额外的噪声。所以需要针对静音STOL客机开发低噪声飞行航迹,一种可能的方案是在3000英尺高度以下滑角7.5度近场,1000英尺高度改为3度下滑角。

到目前为止,CRC 880的研究表明,静音STOL客机的实现需要高升力系统降噪技术和低噪声飞机布局(如翼上安装发动机)的结合。此外,完全的降噪潜力只能通过专门的飞行程序实现。

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