聚焦
欧洲持续推进边界层抽吸布局研发
王元元

2018-02-26 | 聚焦

据美国《航空周刊》网站2018年2月15日刊文,客机在尾部安装嵌入式风扇为机身尾迹注入能量、降低阻力的技术(BLI技术)正引起越来越多的研发关注,该技术具有成为下一代商用飞机减阻关键技术的潜力。然而,关于将这项技术应用于大型电推进飞机是否具有前途仍然存在争议。

NASA相关研究展示出的BLI技术优势坚定了业界持续关注该技术的信心。NASA单通道带后置附面层推进的涡轮电推进飞机(STARC-ABL)的研究显示,相比如今的传统布局客机,该机能够节油7-12%。节油优势的获得得益于尾部电驱动风扇对机身低速附面层的抽吸和加速。在STARC-ABL中,尾部风扇由翼下安装的发动机带动的发电机驱动,由于全机阻力的减小,翼下发动机的尺寸相比传统翼吊布局更小。

除STARC-ABL外,极光飞行科学公司的D8布局、法国Oneral的Nova布局、德国包豪斯研究院的PFC布局也采用了BLI技术。在D8布局的双垂尾中间,两台紧密安装的半埋式发动机可对机身尾部的边界层进行抽吸。法国宇航院(Oneral)的Nova概念布局同D8相似,但它是在单垂尾两侧嵌入式安装了两台发动机。德国包豪斯研究院的推进式机身(PFC)概念同STARC-ABL相似,也是在垂尾根部安装了环形机身风扇对边界层进行抽吸;但与NASA采用涡轮电推进方式即由翼下涡轮发动机发电驱动尾部风扇不同,PFC则是在尾部使用了第三台燃气涡轮发动机驱动BLI风扇。

PFC概念是在欧盟Dispursal项目下开发的,采用尾部涡轮发动机驱动机身风扇的BLI布局

(来源:包豪斯研究院)

包豪斯研究院(空客是股东之一)在欧盟Dispursal项目下开发了PFC布局,该项目已经于2015年1月结束。研究结果显示,PFC布局相比同级别的2035年服役的传统单通道客机可节油9-14%。从Dispursal项目结束以来,包豪斯研究院一直在优化PFC布局,并与传统340座级、4800海里的宽体客机进行了更多详细地对比分析。在PFC布局中,后机身尾部内安装了一台双转子涡轴发动机,低压轴通过行星减速齿轮系统驱动机身风扇。空气通过机身尾部高度为0.54米的环形入口进入风扇(机身边界层在当地的厚度约为1米)。在风扇后通过S形管道为核心机供气。

包豪斯研究院的“推进式机身概念”,位于后机身内的风扇通过环状进气道吸入附面层气流,并对尾迹重新注入能量。(图中英文自上而下依次为:机身风扇、行星齿轮系统、一体化结构、核心机(燃气发生器)、S型进气道、锥形机身)

包豪斯研究院在1月举行的AIAA 2018航空科技大会上公布了最新的研究成果:相比2035年服役的采用先进技术的传统布局方案,PFC概念可以节油12.1%。PFC布局飞机由于增加推进风扇带来了16%动力系统的增重,导致全机空机重量增加4.6%,但全机最大起飞重量基本没变。

在基线研究中,为了最小化成本,包豪斯研究院假设后机身涡轮发动机和翼下发动机采用同样的核心机。如果撤销这一限制并分别对机身和机翼推进系统进行优化,可进一步获得1.3%的轮挡间油耗降低(当然这种收益可能会被更高的发动机使用维护成本抵消)。包豪斯的研究结果显示,基线研究中,传统布局飞机需要单台发动机提供12880磅的最大爬升推力,PFC布局只需要翼下单台发动机提供8450磅推力,后机身风扇提供静推力3690磅。撤销核心机限制后,后机身风扇只需提供2610磅推力,翼下发动机需提供8880磅。

包豪斯研究院表示,未来的研究工作将关注对PFC布局发动机循环的优化。包豪斯正在牵头一项Dispursal的后继项目,由欧盟地平线2020资助的368万欧元(452万美元)、3年研究周期的Centreline项目。该项目已于2017年6月启动,将开展缩比模型风洞试验、高保真数值模拟和PFC设计优化,旨在实现相比2035年服役的先进技术传统布局飞机11%的油耗降低和二氧化碳排放减少。

与Dispursal项目不同,Centreline项目中评估的PFC概念将采用同NASA STARC-ABL中类似的涡轮电驱动后机身风扇,即后机身不再安装第三台涡轮发动机。Centreline项目将对PFC进行概念验证和初步的试验验证,将其技术成熟度由目前的1-2级提升到3-4级,最终的目标是达到成熟度6级为2030年实现产品投放市场做好准备。

包豪斯牵头的Centreline项目成员还包括,空客防务与空间公司、MTU航空发动机公司、电驱动专业制造商西门子、法国研发咨询公司Arttic,以及来自荷兰、波兰、瑞典和英国的大学。

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