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未来的民航客机

发布时间:2013-04-12  原作者:晨枫   点击数:

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  从 20 年代的德国容克和美国福特三发客机到现在,客机的基本结构一直是圆筒形机体加机翼的常规布局,机翼用于产生升力,机体用于承载旅客和货物。空客最新的 A380 在尺寸上极大地放大了,波音最新的 787 采用了很多前卫的技术,但这个基本的常规布局依然没有改变。中国正在研制的 C919 也是这个常规布局。 然而,作为航空科研的前沿阵地,美国 NASA 已经开始研究未来客机的问题。未来客机的研究分三阶段,其中以 2025 年开始使用的第二阶段最引人注目:在技术上足够前卫,但又不太过科幻。波音、诺斯罗普和洛克希德的三个方案都和人们耳熟能详的常规布局有很大的不同。当然,2025 年只是设想而已,远非铁定的商业现实。不过这些先进构想的启示意义不可低估。

从福特三发到波音 727,民航客机的基本格局一直是筒形机身加机翼,最新的波音 787 和空客 A380 也是这个基本格局。近百年来,这个布局的潜力已经被挖得差不多了

  NASA 的要求很简单:降噪、减排、节油。根据 NASA 的数字,2008 年,美国主要航空公司使用了约 6,100 万吨航空燃油,美国军方则使用了约 1,420 万吨航空燃油,总值约 726 亿美元。节油不仅直接影响航空公司的盈利,也对国防开支紧缩的美国军方有很大的诱惑。减排也是非常重要的事情,和汽车、工业相比,飞机的碳排不是最严重的,但飞机的碳排直接进入大气高层,难以通过绿化地球加以吸收,危害很大。另外,机场周边飞机频繁起降,排污集中,影响更大。更难弄的是 NOx。节油通常采用富氧燃烧,导致 NOx 排放增高。美国前 50 个最大的民航机场中有 40 个不符合美国环保局关于大气尘粒和臭氧的标准。另一方面,飞机噪音早已成为公害,世界各地机场扩建阻力重重,大多来源于周边人们对噪音的不满。FAA 几次想重新划分纽约地区的空域和空中通道,结果招来 14 起诉讼案,都是和噪声有关。自从 1980 年以来,FAA 已经投资至少 50 亿美元,用于机场减噪有关的研究。多少年来,降噪、减排、节油也是民航客机研发的基本要求。在喷气客机出现几十年来,世界各国不断潜心优化,对传统的常规布局的潜力已经挖得很深,要在降噪、减排、省油上大幅度提高很不容易。

  NASA 未来民航科研的三个阶段是这样划分的:N+1 为近期,目标为 2015 年,N 则为 Now 的意思;N+2 为中期,目标为 2020 年;N+3 为远期,目标为 2025 年。计划结束时,要求达到技术成熟程度 4-6。这是美国政府和国家科研管理中对技术成熟程度的等级评定,1-2 为基础理论阶段,4-6 为达到实验室规模到技术演示的阶段,8-9 则为实用阶段。从 4-6 级技术成熟水平到投入使用还需要 5 年以上,所以 N+2 的实用化目标是 2025 年。NASA 的 N+2 要求比现在的最严格的第四级标准减噪 42 分贝,起飞着陆阶段 NOx 减排 75%,巡航阶段 NOx 减排 70%,节油比 1998 年技术基线(相当于波音 777)降低 50%。其中减噪要求尤其令人印象深刻。现在的机场周边飞机噪音标准通 常要求不超过 70-75 分贝,减噪 42 分贝的话,这使得机场周边噪音降低到相当于安静房间的水平,甚至低于室内强制循环冷暖风的噪声。即使站在地面以最大推力起飞的飞机旁边,噪声也降低到相当于电锯的水平。这是很高的要求。

现今机场典型噪音分布,越往内圈噪音级别越高

  NASA 正在推动“环保飞机计划”(Environmentally Responsible Aviation,简称 ERA),这是 N+2 阶段,客机的设计基点为 224 座,22.5 吨载重,14,800 公里航程,M0.85 巡航速度;货机则为 45 吨载重,航程 12,000 公里。在 2012 年 1 月 9-12 日美国航空航天协会(简称 AIAA)在田纳西州纳什维尔举办的航空科学大会上,波音、洛克希德和诺斯罗普揭示了各自的 ERA 方案,都达到或者接近达到了这些十分苛刻的要求。每一个团队都获得很高的评价,而各自的技术路线又十分不同,预示着民航技术即将到来的百花齐 放时代。

  NASA 计划研制一架缩比的研究机(简称 STV)。这应该是比真实飞机缩小约一半的有人驾驶研究机,原计划 2018 年首飞,在 2019-20 年使技术达到实用程度,在 2025 年左右按照新技术设计的新一代民航客机可以投入商业运行。STV 的大小相当于波音 737,要求可用 20 年、1 万小时,但第一步计划是在 2020 年提供 N+2 研究数据,然后将在 2020-25 年用于测试无人商用航空,为未来在整个空域和有人飞机混合飞行做好技术铺垫。2025-30 年则用于 NASA 的另一个研究项目“亚音速固定翼”计划,在基础理论层面上进一步推动航空科技。不过在可预见的未来,美国政府开支的紧缩可能迫使 ERA 计划放 慢。除了寻求工业界的投资,NASA 也在邀请美国空军加入,联合研制 STV。不过这样 STV 就要从单纯的民航技术验证机变成具有军用潜力的多用途运输机技术验证机了。波音、洛克希德和诺斯罗普还需要提供未来 15 年里把相关技术成熟化的技术研发路线图和时间表。

波音 X-48 是波音的未来民航技术验证机

  波音方案是 NASA 的 X-48 研究机的自然延续。这是翼身高度融合的新颖飞机,介于飞翼和无尾三角翼之间。无尾三角翼飞机也是常规的机体-机翼布局,只是省却了常见的水平尾翼。机体-机翼布局在设计和制造上已经很成熟,但机体不产生或者只产生很少升力,机翼和机体的结合部承受的应力很大,需要高度加强,导致重量增加,结构效率较低。理想飞翼直接在肥厚的机翼内装载旅客或货物,整个飞机没有不产生升力的部分,重量也均匀地分布在所有产生升力的结构上。从理论上讲,要是在机翼上每一点升力和重力都正好抵消,用纸做飞机都可以,最大限度地降低结构重量。当然这在实际上不可能,还没有上天,重量已经把纸蒙皮压穿了。不过这说明了没有机体、只有机翼的飞翼的本质优越性。从 40 年代飞翼概念提出后,就有很多人把飞翼作为未来客机的理想气动布局,但飞翼固有的缺陷使这一梦想始终没有实现。

波音 N+2 方案就是基于 X48,注意有双发喷气和三发开放转子方案

这是双发喷气的修改方案,注意翼尖的后掠小翼

这是一个艺术家的想象,还是未来的现实?

  飞翼的纵长相对较短,俯仰控制力矩随之较短,大大增加稳定的俯仰飞控的难度。除了德国霍顿兄弟的开创性工作外,诺岁罗普是飞翼的先驱了,还在 40 年代试飞过飞翼,但一直到数字电传飞控的出现,实用的飞翼才成为现实,这就是 B-2。不过民航客机的安全要求很高,本质上不容易做到自然稳定的飞翼要通过民航客机所需的严格安全认证,还有不少关口要过。

  飞翼的另一个难题是旅客上下飞机和紧急疏散的问题。圆筒形的机体或许结构效率不高,但旅客上下飞机很方便,世界各地机场也有一整套现成的登机设备。但飞翼没有明显的适合设置登机门的位置,即使在肥厚的前缘选定一个位置开登机门,机内相当于一个大厅,而不是圆筒形机体的走长廊,旅客进出的人流路线容易混乱。这还不是最大的问题,紧急疏散时,飞翼内的人流组织远比圆筒形机体要复杂。现有研究都表明,一旦发生紧急情况,飞翼客机很难在 FAA 规定的疏散时间内保证所有旅客安全逃生。不算这些问题的话,还有旅客的舒适问题。飞翼内部或许空间宽大,但只有飞翼前缘的旅客有机窗,大部分旅客将远离机窗。看电视、打游戏能解决一些问题,但幽闭的感觉没法根本解决,长途飞行的问题更大。当然,这些问题对货运飞机来说无关紧要。

波音 BWB 客机的内部布置

  由于这些问题,波音的翼身融合体方案(简称 BWB)试图结合飞翼和常规机体-机翼的优点,用近似飞翼的气动外形保持飞翼的优点,但机舱是极大加宽的肥厚扁圆,而不是像理想飞翼一样差不多延伸到整个翼展,机翼也没有飞翼那么肥厚。扁平宽大的尾部上方有一对外倾的双垂尾,双垂尾之间是两台普拉特惠特尼和罗尔斯 罗伊斯合作的齿轮传动涡扇(简称 GTF)发动机。喷气发动机的推力来自于喷气的质量流量,而不是喷气的速度或者温度。涡扇发动机的涵道比(风扇的外涵道和核心发动机的内涵道的流量之比,也称流量比或旁通比)基本上等同于外涵道和内涵道产生的推力之比。显然,用转速较低的风扇产生更大的升力有利于降噪、节油。但常规的双转子涡扇的低压涡轮同时驱动低压压气机和风扇,不可避免地要在两者的工作要求之间折衷,而不能使两者都达到最优。罗尔斯罗伊斯的拿手好戏是 三转子,低压压气机和风扇不再共用低压涡轮,提高了发动机的热效率,但机械结构因此大大复杂,在重量和可靠性上都要付出代价。普拉特惠特尼采用齿轮减速, 使双转子涡扇达到三转子的效果,但在机械结构上相对简洁、干净。现在罗尔斯罗伊斯和普拉特惠特尼合作,进一步增加了 GTF 的吸引力。

齿轮传动涡扇示意图,“2”为行星齿轮减速装置

  GTF 可以达到节油 52%的效果,十分可观。但另一个发动机技术可以达到更高的节油效果,这就是浆扇发动机,也称开放转子发动机。既然提高涵道比可以节油,使涵道比达到无穷大岂不可以达到最低油耗?这就是涡浆发动机,螺旋桨相当于没有围箍的风扇,在支线客机和轻型飞机上得到广泛应用。不过涡浆的问题有两 个:1、速度无法提高;2、噪声很大。螺旋桨的叶尖速度不能超过音速,迎风面积也限制了飞行速度,所以不适合高亚音速巡航的远程客机。没有屏蔽的叶尖产生的噪声强大到可以造成机体结构疲劳,所以大功率的涡浆客机很难不扰民。浆扇降低螺旋桨的出力,部分推力回到由核心发动机产生,螺旋桨桨叶采用后掠的弯刀形,推迟激波的产生,前后不同桨叶数的反转螺旋桨改变噪声特征,降低感受到的主观噪声水平。但浆扇的噪声依然很高。波音 BWB 用三台浆扇取代两台 GTF 的话,油耗还可以进一步降低,但噪声要高 8 分贝,方案被放弃了。GTF 方案也没有达标,只达到降噪 34 分贝。波音 BWB 的发动机下方有扁平宽大的后机身屏蔽,两侧有双垂尾屏蔽,加上采用低噪音的 GTF,依然没有达到 NASA 的 N+2 降噪标准,可见降噪之难。

罗尔斯·罗伊斯“开放转子”是另一个有望大幅度降低油耗的新型涡扇

“开放转子”的桨扇也可是前置

  波音声称可以通过进一步优化,最终达到 42 分贝的降噪要求。发动机和气动布局上的文章做完了,接下来只有从细节入手,其中最主要的是起落架和襟翼。传统 上,起落架的设计要求只有轻巧、坚固、可靠,但基本上没有什么气动上的考虑。在下滑过程中打开的起落架引起很大阻力和噪声,需要采用整流罩降低风阻,才能降低噪声。另一个噪声来源是襟翼。襟翼是常见的增升装置,但打开的襟翼极大地改变了气流的流动,开缝襟翼的噪声尤其严重,这是另一个降噪的着力点。

起落架整流罩设计也可降低噪音

  波音和 NASA 合作研制 X-48 在 2007 年7 月 20 日首飞,已经积累了相当的数据,波音也因此在竞赛中领先一步。波音的 ERA 技术验证机原计划 2017 年总装,这是一架 65% 尺寸的研究机,翼展 45.4 米,机长 25.3 米,机高 6.4 米,采用两台推力为 106.8 千牛的普拉特惠特尼 PW1000G 齿轮传 动涡扇发动机、现有飞机上的起落架和公务飞机的座舱系统。最初机翼不采用层流技术,但技术上留有余地,方便以后改装。

波音的 ERA 技术验证机

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