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波音和空客的下一个战场

发布时间:2017-12-19  原作者:晨枫   点击数:

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  但更大的展弦比需要全新思维。波音与NASA合作,已经进行SUGAR计划好多年了。SUGAR的全称为Subsonic Ultra Green Aircraft Research,意为亚音速极环保飞机研究,重点是省油、减排、降噪。SUGAR有很多亚型,有涡桨型、涡扇型、氢动力型,最极端的是涡轮-电力混动方案,但在气动上是共同的,最大特点是特大展弦比(可达20-30)和支架翼。

波音SUGAR的几种方案
波音SUGAR的几种方案
波音SUGAR的几种方案
波音SUGAR的几种方案
波音SUGAR的几种方案

  SUGAR的机翼称为跨音速支架翼(Transonic Truss Braced Wing,简称TTBW),粗看有点像双翼机,只不过下翼缩短到几乎消失,实际上成为斜支架的支点。这也可以作为主起落架的安装点。与常规的悬臂翼相比,TTBW后掠较小,受力设计大大简化,加上支架的加固作用和复材的气动弹性剪裁作用,可以有效地增加细长小后掠翼的刚度。

  SUGAR研究表明,TTBW可以省油5-10%,这也可以转化为航程,在技术上可在2030年左右达到成熟。波音SUGAR定位在波音737的大小,设计速度只有M0.7,对于客机来说低了一点,希望增加到M0.8。弗吉尼亚理工学院的研究定位在波音777的大小,没有发现达到M0.85的设计速度有什么原理层面上的拦路虎。NASA计划将最终测试速度提高到M0.9,这对民航客机就足足有余了。

  TTBW的难点在于颤振预测和抑制,需要在机翼本身刚度和支架强度、形状、位置之间达到最优。支架本身对升阻比的影响、支架与机翼、支架与机体之间的气动交互影响是有待研究的问题,这是比翼下发动机吊舱更加复杂的问题。波音与NASA还在研究中发现,简单的斜撑还不够,需要在斜撑2/3处与机翼下表面之间增加一道竖撑,才能达到需要的刚度。

  但TTBW可以很容易地按需要放大、缩小,这一点是其他非常规气动方案所不具备的,比如波音翼身融合体(像圆滚滚的飞翼一样,简称BWB)就只适合至少波音777一级的大型飞机,较难用于波音737一级或者更小的中小飞机。值得注意的是,波音SUGAR不仅有波音研究部门参加,波音商用飞机分部也在其中,凸显了近期应用前景。

  当然,特别细长的机翼也有问题。比如说,SUGAR的翼展从基准的波音737的111英尺增加到173英尺。特大翼展在登机口会造成问题,但可以在着陆后在滑行道上慢速滑跑时将外翼段自动折叠起来,减小占地,离开登机口准备起飞时再打开。这在技术上基于舰载战斗机的折叠机翼,对波音是成熟的,只是大大放大了,在波音777的设计阶段就可供用户选择,只是当时用户都选择更大的登机口间隔,机场费用更高,但省却了维修上的麻烦和可靠性顾虑。最新的波音777X将进一步增加翼展,折叠翼再度拾起,最后是否采用还不知道,但技术不是问题。

  更长远地来说,位置上相当于上单翼的支架翼还适合配用直径更大的下一代发动机,或者涡电混动,甚至液氢动力。SUGAR计划已经有相关研究,在概念层面解决了这些问题。

  TTBW可以解决NMA的航程问题,而NSA可以用下翼位置作为基础,改回重量较轻、设计和制造较简单、因而成本较低的常规悬臂下单翼,适合中短航程的需要。为了保持较短的主起落架,发动机可以考虑安装在翼上,就像HondaJet一样,不仅保持了翼下发动机为机翼减载的作用,“托住”发动机的支架后部还可以延展成适当的屏蔽,降低对地面的噪声投影。这样,NSA和NMA“共用平台”的问题就解决了。

  这当然只是对NMA和NSA的一个设想,可能离最终实现的现实相距很远。然而,NMA是波音很现实的问题,NSA也是越来越紧迫的问题。长机体的A321NEO不仅以4:1的销量优势压倒波音737MAX-9,还有在A320NEO家族里份量逐渐增大的趋势。现在已经达到30%,预计可以超过50%,愈显波音有效应对的重要性。

  NMA和NSA不仅是技术问题,更是商业决策问题。作为波音的主要对手,空客现在的占位很好。A320家族的基本技术比波音737要先进20年,结构更加合理,所以换发成为NEO立刻就一炮打响。NMA、NSA可能得益的新发动机也可以用于NEO2.0,在不小程度上抵消来自波音的威胁。在可预见的未来,空客也没有NSA的压力,更换复材机翼又可以赢得很长的第二春,而金属机体对于中短程并不是大问题,复材机体的优点要远程才能显示出来。在MOM方面,A321NEO和A330NEO从两头把MOM区间占住了。只要有需要,空客还可以进一步拉长A321NEO,更换新的机翼和发动机,推出A322NEO。但波音737MAX已经没有这样的可能了,波音787也缺乏向下与A330NEO竞争的优势,基本设计就是为更大、更远考虑的。

波音797非官方想象图
波音797非官方想象图

  更加使得波音忧心的是波音与空客的资金周转周期。空客A320NEO、A330NEO、A350-1000的研发都已经收尾,进入生产和盈利阶段,2018-19年后就可以腾出手来,应对波音可能推出的NMA攻势。甚至可以坐等波音亮出底牌,然后集中力量后发制人。但波音自己的波音737MAX-10、波音787-10、波音777-8X/9X都在研发高峰,现有的波音737NG、波音777在靠降价促销,以填补下一代投产前的空档。NMA有任何闪失的话,根本没有足够的人力、财力来擦屁股,而波音在历史上是不乏闪失的,比如波音787,即使不算“锂电池门”,也有过折腾的日子。

  对于波音来说,成功的NMA应该与NSA接轨,还应该处在空客难以轻易反制的位置,这是巨大的挑战。难怪波音在2017年巴黎航展上雷声大雨点小,最后关于NMA只是不痛不痒地发布了几句老生常谈。对于中国来说,C919刚刚起飞,C929还在绘图板上,但MOM无疑是值得关注的下一个战场,波音对NMA、NSA的决策终将影响到商飞的下一步。

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