热点 2020-05-12 15:05

翼身融合技术及项目发展

远航 摘自 本站

引言:“翼身融合体”是“飞翼”技术的一种,与变形机翼技术(本站前期热点内容)一样是飞机结构布局的一种未来发展趋势。当前以美、欧、俄等为主,在开展广泛的研究工作,并在早期(20世纪60年代开始)已在军用领域出现了实际应用。

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  • 几个概念:“飞翼”(FW)和“翼身融合”(BWB)既有联系又有区别;“翼身融合”(BWB)又称为混合翼身(HWB);除了“飞翼”、“翼身融合”等技术,还有一种“升力布局”概念技术,其是BWB与传统翼身技术的一种结合。
  • “飞翼”等技术当前均属于概念飞机结构布局技术,尚处于技术概念开发与验证阶段,但已在公务航空、支线客机、大型客机、军用飞机、无人机、电动垂直起降飞行器等领域开展研究。翼身融合技术从20世纪60年代开始已在军用领域获得实际应用,如SR-71“黑鸟”侦察机及B-1B“枪骑兵”、图-160“海盗旗”、B-2“幽灵”轰炸机等。
  • 当前一些研究机构和项目包括:空客公司翼身融合客机研究,英国Samad Aerospacegs公司的Starling Jet翼身融合公务机,斯洛文尼亚Pipistrel公司翼身融合体垂直起降飞机,波音公司BWB布局研究,NASA更静音翼身融合客机布局研究,洛马翼身融合布局运输机研究,加拿大升力机身布局未来支线飞机研究等。

 

3月17日,据俄媒报道,俄罗斯中央空气流体动力学研究院((TsAGI))仍在继续开展未来干线飞机的“飞翼”(flying-wing)布局研究工作,开发翼身融合(Blended Wing Body,简称BWB,又称混合翼身,hybrid wing body,HWB)结构技术。其改进的气动模型已经完成,并正在准备实验。TsAGI用钢和铝合金制备了飞翼布局模型,模型的比例为1:33.3,长度超过一米,翼展为1.8米。模型采用整体式设计,具有巨大的中央机翼,对接机翼检测装置,带有V形双垂尾。该结构组件数量较少,只有93个。新布局增加了机身的载客量,对中翼上表面发动机的气动干扰具有抑制作用。下一步,TsAGI将继续进行计算设计工作,优化飞翼气动布局,消除发动机短舱、挂架和机翼之间相互作用的不利影响。

“飞翼”和“翼身融合”均属于概念飞机结构布局,代表着飞机未来的一种发展趋势。二者具有一定的联系,又存在着一些差异。飞翼布局既可以是没有平尾又没有垂尾的全无尾的布局,也可以是带有垂尾的布局。与传统的筒体-机翼构形不同,飞翼布局没有机身、机翼之分,而是机身、机翼完全融为一体,共同承载和提供升力。翼身融合体布局(BWB)则属于飞翼布局,但可能有短舱、吊舱、垂直安定面等凸起部件。BWB在外观上与飞翼很像,但具有明确的中央机体和高度融合的机翼。与典型飞翼相比,其中央机体明显加厚,BWB的宽扁中央机体还可以有纵墙加强。在结构上,BWB以大大加宽的扁平筒体为基础,机翼在翼根大大加厚,自然、圆滑地融入机体。其内部结构依然有明确的机体、翼根和机翼之分,但外观上浑然一体,机翼与机体没有明显的分界线,与飞翼很难区分。BWB的机翼依然是升力的重要来源,但特别宽大的机体也可提供40%以上的升力,因此对于同样起飞重量的飞机,BWB的机翼翼展和翼面积可以大大减小,以降低机翼的诱导阻力。

20世纪60年代,飞机设计师们开始提出翼身融合体的概念。通过翼身融合,飞机可以获取更好的气动性能、隐身性能,还可以降低噪音和油耗。美国早期的SR-71“黑鸟”高空高速战略侦察机(由洛克希德公司于1963年开始研制)和B-1B“枪骑兵”超声速变后掠翼远程战略轰炸机(由北美航空-后与罗克韦尔公司合并,又被波音公司收购-于20世纪70年代研制)以及前苏联的图-160“海盗旗”超声速变后掠翼远程战略轰炸机(20世纪60年代中后期开始提出需求,1987年5月开始服役,1988年形成初始作战能力),包括美军最先进的B-2“幽灵”飞翼式隐身战略轰炸机(由诺格波音联合麻省理工学院为美空军研制,可执行战略核/常规打击任务,20世纪70年代提出需求,90年代中后期开始服役)都采用了翼身融合体技术,从而提高了隐身能力。由于气动优势,翼身融合体将成为新一代作战飞机的首选气动与隐身一体化设计形式之一,可用于预警机、反潜机、电子战机、加油机等军用场景,甚至可用于勤务运输。现在已有越来越多的飞行器项目在发展翼身融合技术,包括英国BAE系统公司的最新型隐身无人机MAGMA,其外形基本采用飞翼布局,机尾上方配有略外倾的双垂直尾翼。该无人机的最大特点是,没有任何控制面,传统飞机的襟翼、副翼等活动机构全部被取消。实现该机升空和机动的,是其独一无二的气流喷射控制系统。而美国NASA采用翼身融合设计的X-48C则成为未来概念型客机的候选者代表,其更加环保、安静。翼身融合技术也是未来发展超声速飞行技术的候选项之一。以下是一些典型的采用该技术的机型组图。

SR-71“黑鸟”高空高速战略侦察机

 

B-1B“枪骑兵”超声速变后掠翼远程战略轰炸机

 

图-160“海盗旗”超声速变后掠翼远程战略轰炸机

 

B-2“幽灵”隐身战略轰炸机

 

X-48翼身融合无人试验机

 

BAE系统公司新型隐身无人机MAGMA

当前,航空业界一些主要的制造企业或重要的研究机构仍热衷于开展飞翼或翼身融合技术研究,存在或出现了一些新的项目,翼身融合技术在向公务航空、电动垂直起降等客运方向发展,但总体上仍处于概念机研发阶段。例如,2020年2月11日,英国飞行国际报道空客正在研究翼身融合布局的客机设计,并已对其缩比模型进行了测试。在美国空军继续对未来十年及以后的先进空中机动和加油机概念感兴趣的情况下,波音公司仍在继续深化翼身融合体布局研究。NASA则在研究更静音的翼身融合客机布局。英国Samad Aerospacegs公司在2018年欧洲公务航空展(EBACE)上推出了一种名为Starling Jet的新型电动和混合动力垂直起降公务机,其采用了翼身融合技术。2018年5月8日,Pipistrel公司推出一种采用了翼身融合技术的电动垂直起降(eVTOL)飞机概念。

尽管翼身融合技术研究比较火热,但翼身融合的结构设计一直是一个困扰该技术广泛发展应用的难题,其距未来广泛的实际应用还有很长的路要走。2016年,国际清洁运输委员会(ICCT)专家技术组按照三类飞机(包括喷气支线、单通道干线和小型双通道干线飞机)识别出了一组未来15年的飞机节油技术,但并未包括翼身融合、桁架支撑等新概念布局飞机,因为对这些飞机的成本和性能建模还存在较大的不确定性。

以下是这些项目的一些详细信息。

1、空客公司翼身融合客机研究

  • 公司:欧洲空中客车集团
  • 开发计划:“用于验证和试验鲁棒创新控制的飞机模型”,简称MAVERIC
  • 目标:二氧化碳排放量减少20%以上
  • 2019年6月,该机的缩比验证机在法国中部进行了首次飞行
  • 空客公司还改善了此类飞机所需的先进电传操纵技术
  • 2020年中期之前,继续使用遥控模型进行飞行测试
  • 参与测试的缩比验证机长2米(6.6英尺),宽3.2米,表面积约2.25平方米(24平方英尺)

2、Starling Jet翼身融合公务机

  • 公司:英国Samad Aerospacegs
  • 机型名称:Starling Jet
  • 机种:新型电动和混合动力垂直起降公务机
  • 2018年2月Starling Jet在新加坡航展上首次亮相该机配备一台涡轮发电机,驱动5台风扇推进器,航程为2408千米,单价预计为1200万美元。配装的电动机由Warwick制造集团和诺丁汉大学合作开发
  • 计划利用18个月(按推算约在2020年前后)实现1/2缩比可选有人驾驶原型机的首飞。全尺寸原型机的首飞计划在2021年进行,EASA的取证工作将在2023年前完成。计划在2024年之前交付首架10座的混合动力Starling Jet,以及7座的e-Starling

3、Pipistrel公司翼身融合体垂直起降飞机

  • 公司:斯洛文尼亚Pipistrel公司
  • 2018年5月8日在洛杉矶推出概念图。
  • 该机采用翼身融合体设计和专用推进系统用于巡航和垂直起降没有任何产生垂直升力的可见旋翼
  • 该产品系列可搭载2至6名乘客

4、波音公司BWB布局研究

  • 2016年8月27日波音公司开始在NASA兰利研究中心风洞中进行短距起降翼身融合体(BWB)布局测试。该模型6%缩比、3.96米翼展BWB布局

  • 2017年,波音在加州亨廷顿海滩的试验设施中对BWB布局进行了一系列的水洞和其他测试。试验结果显示,位于尾部上下对称的蛤壳式仓门开启后,尾部流场足够稳定,可以满足空投伞兵和货物的要求。
  • 2018年3月消息,波音持续优化BWB布局研究。波音最新的BWB概念显示出重要的变化,一是机身尾部集成了蛤壳式货舱门;二是对高升力装置进行了改进。这两个变化都是波音推动该布局在军事领域应用所做的努力蛤壳式舱门在上表面后部还集成了升降副翼,波音将该设计申请了专利。升降副翼在此处的作用一是主要进行俯仰控制实现短距起降;二是当蛤壳式舱门打开后进行载荷限制。

5、NASA更静音翼身融合客机布局研究

  • 目的目标:降噪,包括将飞机噪声限制在机场范围之内
  • 2015年结束的NASA环境负责任航空(ERA)项目表明,BWB是截止目前发现的最安静布局。ERA项目瞄准的是中期(2025)环保目标(相比FAA36部第4阶段累积噪声裕度42EPNdB),因此301座级的BWB布局稍稍未达标,但相比同等尺寸的先进管状机身加机翼布局噪声水平低22.1dB
  • NASA已经识别出一些额外技术,预计2035年应用后可实现累积噪声裕度50.9EPNdB;同时,相比777大小的飞机,可将暴露在85dB以上噪声等级地区的面积缩小94.4%。
  • 2017年6月,NASA在丹佛举行的AIAA航空年会上公布了瞄准2035年(远期)降噪目标(相比FAA36部第4阶段累积噪声裕度52EPNdB)的技术研究部分成果。一些技术涉及齿轮传动涡扇发动机,包括拓展到进气道唇口的声衬,更短、更轻、阻力更小的短舱;声衬还用到了核心喷管上以吸收燃烧室低频噪声;将外涵气流分成两股的分流器进行了加厚,后部管道和分流器也进行了重新设计以改变风扇噪声的指向、增加屏蔽效果。BWB布局噪声降低的主要贡献来自于机身对风扇和喷流噪声的屏蔽。
  • 2017年,NASA售出三份合同,要求开展BWB布局(波音牵头)、桁架支撑翼布局(波音牵头)和D8双气泡布局(极光飞行科学公司牵头,极光公司已被波音收购)作为超高效亚声速技术X验证机(计划2020年后首飞)的风险降低研究

6、洛马翼身融合布局运输机研究

  • 洛马公司2014年首次公开翼身融合布局概念
  • 2016年2月,洛马完成了在佐治亚州玛丽埃塔的低速风洞进行的翼身融合运输机4%缩比模型的全模试验。此前在2015年8月,洛马已经在NASA兰利中心的国家跨声速风洞(NTF)中进行了同样比例的半模试验。两次风洞试验的结果验证了其CFD工具对非常规布局性能预测的精准度。
  • 2017年2月,洛马完成带动力低速风洞试验和分析,验证了翼身融合布局是执行多种空运任务运输机的理想构型
  • 洛马的翼身融合布局在前机身采用翼身融合设计,后机身采用传统尾翼设计,兼顾了高气动和结构效率,同时还可以执行传统的空运/空投任务。此外,该设计布局采用了在机身上方尾部安装超高涵道比涡扇发动机,大展弦比机翼,轻质结构等,使得这种布局的运输机能够胜任C-5运输机当前可以运输的所有大尺寸货物,同时油耗相比C-17还低70%。
  • 洛马研究表明,除了C-17等大型军用运输机外,HWB布局也可以成为C-130的替代机。洛马更加倾向于采用全新研制的HWB布局验证机,而不是在其它现有飞机上修改。
  • 2017年,在美国海军MQ-25A“黄貂鱼”无人空中加油机项目竞标中,洛马公司曾表示将采用翼身融合及尾翼一体化布局方案参与新一轮竞标

7、加拿大升力机身布局未来支线飞机研究

从左上依次为传统布局、桁架支撑机翼布局、盒式翼布局、翼身融合布局

  • 升力机身布局结合了BWB和管状机身加机翼布局的特点
  • 加拿大研究人员发现,大型民用飞机(譬如目前的宽体飞机)采用翼身融合等非传统布局具有更高的气动和结构效率,对于支线飞机等小型飞机来说可能需要寻找其它更好的构型
  • 加拿大多伦多大学航空宇航学院(UTIAS)采用气动外形优化(ASO)技术研究了几种不同的布局,分别是管状机身加机翼布局、BWB布局和LFC布局,并将这些布局分别应用在100座级支线飞机、160座级窄体客机、220座级宽体客机和300座级宽体客机上进行了对比研究,研究发现:BWB布局可以提高大型飞机的燃油效率,对于小型飞机带来的燃油效率收益微乎其微;升力机身布局结合了BWB和管状机身加机翼布局的特点;100座级支线飞机采用升力机身布局预计可带来6-8%的燃油消耗降低
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