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C919只是个开始:中国客机的下一个形态,已经在西工大试飞成功

2024-02-23 33 yuneu


1919年德国把“鸽”式侦察机改造成了客机,从此拉开了民航蓬勃发展的大幕。随后,民航客机进入了发展的快车道,各种布局型式层出不穷。

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(鸽式侦察机)


1958年,波音公司研发的波音707正式交付。民用客机的基本构型至今再没有发生大的变化。后掠翼、下单翼、吊挂式发动机、机翼和机身界限分明的常规布局型式就成为了今天我们常见的民用客机样子。

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(中国引进的波音707客机)


这种布局形式适合于大型喷气式飞机在1万米高空以高亚音速巡航。在航空业界,这种布局被称为“管—翼”布局。

后来的民航客机,虽然在航空材料、航空发动机、航电系统上都有长足的发展,但是在气动布局上基本还是延用了波音707的型式。

当然,翼梢小翼和超临界翼型的应用,压榨了“管—翼”布局最后的剩余“价值”。时至今日,常规布局的气动效率潜力已经算是“悬崖边上扭秧歌——好日子到头了”。

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波音空客主流客机,可见气动布局型式和波音707大差不差


特别在能源危机日益严重的今天,航空公司恨不得油箱里有无限油、机舱里能卖挂票。这意味着“更省油”“更能装”是未来民用客机发展的必然趋势。

这种情况下,翼身融合布局(Blended-Wing-Body,BWB)很有可能成为未来民用客机的选择。

先行者,变扁了变大了

所谓的翼身融合布局,是指机翼和机身高度融合的升力体布局,也就是说机身和机翼没有明显的分界线,你中有我,我中有你。

这种布局形式早在二战期间就被许多学者提出。但是完整的翼身融合布局最早是由客机研制的王者——麦道公司在1988年提出。

从时间上来看,大体上,翼身融合布局思想有三个阶段。第一阶段是1991年到2000年,第二个阶段是2001年到2010年,第三个阶段是2010年到今天。

第一个阶段里,麦道公司最为上心,先后提出过2个翼身融合布局方案。这一阶段的翼身融合布局客机主打一个大。麦道家给的方案都是奔着载员800人往上去的。波音收购麦道后,也接过了翼身融合布局的锅。那自然放的卫星也不小,计划载员450人。

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美国第一阶段的翼身融合布局典型方案


这个时期的研究在于如何把机身变成升力体。此时的思路是把圆筒形的机身变成圆盘型的机身。这种设计可以通过降低浸润面积的方式来降低阻力。

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(BWB方案中机身的变化)


在降低阻力的同时,翼身融合布局方案里的机身也承担了一部分升力。这使得全机气动载荷分布更加均匀,从而降低了全机结构重量。

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(文献中,翼身融合布局和常规布局在升力和气动载荷上的对比)


虽然第一个阶段里,翼身融合布局方案已经体现了相对常规布局的优势。但是此时的航空技术无法降低该布局下的气动噪声问题,因此,主流客机并没有选择这种方案。

追随者,更低阻更安静

第二个阶段里,欧美都积极参与了翼身融合布局的研究。这其中,NASA的推动非常重要。2000年之后,NASA推出了N+2/N+3计划。受益于这个计划,波音先后推出过一系列设计方案。

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这一阶段,各研究机构进一步加大了翼身融合布局的翼身融合度。翼身融合度的提高也进一步降低了飞机结构重量、提高了升阻比。

以波音Sugar Ray方案为例,该方案在前缘采用自然层流减阻技术,在湍流区采用了小肋减阻技术。这些技术保障了整机的升阻比很高。

在NASA推动的N+3计划中,通过将发动机嵌入机身后部,有效减低了噪声。

奔跑者,队伍越来越大

近15年,翼身融合布局的研究进入了第三阶段。这个阶段,对这一布局的研究机构更丰富了。研究人员对翼身融合布局的研究也更偏向工程应用。

例如:面向未来客机高音速巡航这一特性,Dzyne技术公司对设计方案做了优化。它将货舱和燃油箱放置在翼根处而不是客舱的下方。

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(Dzyne技术公司给出的Ascent1000客机方案)


空客设计的方案不光对布局型式做了更改,甚至改变了客机的能源结构。他们给出了采用氢能源的翼身融合布局“ZEROe”。

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(空客ZEROe方案)


一直在客机上表现差强人意的俄罗斯,也给出了自己的PPT方案。俄罗斯对翼身融合布局方案的研究不算晚。从1991年开始,俄罗斯著名客机设计局——图波列夫设计局研究了多个方案。最著名的当属图-404方案。

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(毛子的BWB方案)


加拿大、德国、英国、法国等国家在这一时期也纷纷进行了翼身融合布局在公务机、支线客机等不同类型客机上的应用。

进入新世纪来,我国在翼身融合布局上有了自己的思考和探索。这其中最典型的方案分别是商飞给出的灵雀B方案,还有西北工业大学给出的NPU-BWB-300-II方案。

根据灵雀B方案设计的缩比验证机在2017年4月21日湖北荆门漳河机场成功首飞。

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(灵雀B验证机)


西北工业大学根据NPU-BWB-300-II方案设计的缩比验证机在2023年间先后进行多次试飞,对总体设计、气动设计、飞行控制等技术进行了成功的验证。

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(西北工业大学NPU-BWB-300-II方案)


下一代?还要些时间

虽然越来越多的民用客机研究机构将眼光投向了翼身融合布局方案。但是,这一方案仍旧有三大问题难以解决。

(1)飞机操纵相对困难

相较于常规布局,翼身融合布局在纵向、航向、横向三个方向的操纵都更加困难。尤其在飞机进行滚转转弯时,靠近外侧的乘客将承受更大的过载,影响乘坐体验。

(2)客舱布局的困难

按照现有翼身融合布局方案,每一排的座位数远远超过在现在宽体客机的7~9座。这使得客舱无论采用何种布局,都难以均衡地照顾到旅客的乘坐体验。

(3)紧急情况处置的困难

翼身融合布局的单排座位数较多,一旦发生紧急情况,那么旅客的疏散将成为一个大问题。虽然前面提到的空客VELA方案进行了应急撤离的研究,但是相较于常规布局,翼身融合布局很难进行快速撤离。

除了上述三个难点,翼身融合布局还有噪声、结构、运营、适航等多方面问题等要去解决。

这些问题随着航空技术的进步,也许都会得到比较好的解决方案。毕竟航空就是人类挑战自我的事业。

那么,如果有一天翼身融合布局真的投入运营了,你会选择乘坐吗?

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