0 引言

随着全球经济活动的发展,航空技术推动着航空客/货运在过去几十年中保持增长态势^[1-2]。在世界航空客/货周转量快速提升的同时,对未来民机的经济性、环保性要求越来越高。当前采用以筒状机身加机翼(tube-and-wing,简称TAW)的常规布局形式经过多年来的发展,气动效率较难有进一步的提升。促使民用航空技术,尤其是气动布局技术必须进行全面创新,对航空产业具有颠覆性影响的民机新构型技术已成为各主要航空大国的共同研究方向。

新构型的高气动特性配合低耗油率发动机将极大提升飞机航程、降低燃油消耗,从而降低尾气污染物的排放。在美国国家航空航天局(NASA)、欧洲航空研究咨询委员会(ACARE)等的资助下,美国和欧盟实施了持续的大型关键技术支持项目,NASA提出的亚声速固定翼研究(SFW)计划、环境责任航空(ERA)计划^[3]以及欧盟的清洁天空(clean sky)计划^[4]等等,探索了包括翼身融合布局(Blended Wing Body, 简称BWB)在内的多种大型民机新构型形式。民机新构型的提出、设计和发展,改变了传统布局的飞机设计思想,在利用新构型独有的技术特征时,还考虑了与关键技术集成的设计理念,对我国未来大型民机的方案设计具有一定的借鉴意义。本文从未来绿色航空的需要出发,介绍了国外主要的大型民机预研项目,从方案进展、潜在应用以及重要的支撑技术等方面详细阐述了翼身融合构型的研究进展与发展现状,总结了主要预研项目的特征以及对中国未来民机发展的启示,对中国未来民机的非常规气动布局权衡设计具有参考价值。

1 翼身融合布局主要优势

机体内部容积相同的前提下,BWB布局相对于常规布局可大幅降低浸润面积,从而具有显著的减阻效果。如图1所示,BWB浸润面积的收益性分析^[5]显示在相同装载要求下,由管状机身转为圆盘形状升力体,可降低4%的浸润面积;展长不变情况下,将机翼融入升力体机身,可降低20%的浸润面积;将短舱内埋至升力体机身后部,可降低25%的浸润面积;加上相对应的操纵面(尾翼、翼尖装置等),可降低33%的浸润面积。

图2显示常规布局形式的客机,其筒状的机身基本不产生升力,因此机翼承担了大部分升力贡献,在翼根处承受极大的弯矩和剪力。而BWB客机由于采用了中央升力体机身,所以结构载荷沿着展向分布更为合理。研究表明,设计良好的BWB中央体可提供全机总升力的20%以上,相对于常规布局,惯性和气动载荷的分布更为合理,从而较大幅度地降低飞机结构重量。

常规布局的筒状机身可以通过在机翼前后增删等直段的方式实现座级的改变,但对于梯形客舱平面的BWB布局而言,这种改造方式显然不适用。波音对BWB布局系列化问题开展研究后发现,可在展向方向随着座位数的增加或者减少而加宽或缩短中央体,形成系列化机型设计。BWB布局在增加座级和增重的同时,也增加了升力面面积,而常规布局座级的增加并不会让飞机有额外的升力能力。NAH项目的Ascent方案^[6]中发展了一种“T式”设计,如图3所示,在保持外翼段、原客舱段、机头以及后机身不变的情况下,通过增加底板尺寸、中央机身面积和展长,实现座级的改变。

2 美国BWB布局研究进展

2.1 麦道与波音早期方案

为了克服型号应用中的应急撤离及客舱增压结构设计问题,麦道早期方案采用了筒状机身组合的方式。图4展示了1989年麦道公司工程师推出的以MD-11作为对比机型的BWB方案,客舱段可容纳368名乘客,增压舱采用筒状机身组合的方式,并将后机身拉长,将发动机埋入翼根处,在后机身两侧安装有垂直尾翼。通过与MD-11客机对比,该BWB方案在3 000nm航段下油耗可降低23.8%。显然这种早期布局更像是一种常规布局的改进,违背了通过提升翼身融合度实现高气动特性初衷。因此随着对BWB方案探索的深入,后续研究没有将圆截面机身框作为一个硬性约束,产生了融合度更高的BWB布局。

1994年,在NASA兰利中心的资助下,麦道公司针对800座级、7 000nm、巡航Ma=0.85的设计目标,开展BWB方案设计工作^[5],该方案已具备现在我们所常见的BWB布局的基本特征。采用一个大跨度的梯形机身,而非原先筒状机身的组合,外翼段参考了常规飞机的机翼设计,并配备有常规的翼稍小翼。全机展长达106m,四台发动机布置于后机身上表面,以实现边界层抽吸技术(BLI)的减阻效果。在1998年被波音并购之前,麦道公司基于上述方案发展了第二代BWB方案(图5),该方案与第一代方案较为类似,最大不同是采用了三台274kN的涡扇发动机,并对短舱进行了重新布置,这些基于安全的发动机布置技术将在后续的BWB方案中继续沿用。为了解决无尾BWB飞机产生的一系列问题,项目团队于1997年开展对6%比例的第二代BWB方案开展无人缩比验证机的试飞工作,以研究该方案的气动与操稳特性(图6)。该验证机命名为BWB-17,由斯坦福大学设计制造,翼展5.18m,重54.43kg,动力来源于机身尾部的两台活塞式螺旋桨。

通过NASA的资助开展了BWB第二代方案研究后,已经并购了麦道公司的波音继续开展BWB方案的设计与完善工作^[7],提出了450座级的BWB方案,基准机型是当时空客尚未正式公布的450座级A3XX飞机。图7~图8给出了BWB-450方案与A380-700的尺寸对比,以及在480座级、16 112km航程下进行的综合性能对比。BWB方案全机空载重量降低19%,最大起飞重量降低18%,推力需求降低19%,燃油消耗降低32%。

2002年波音开始设计一款巡航速度Ma=0.93的BWB布局客机方案^[8],速度的提升导致马赫效应凸显,因此需要对飞机平面形状进行重新设计。对于常规飞机而言,这需要增加翼身之间的整流,由于BWB布局先天就具有高度融合的优势,因此涉及到的改动就是加大后掠。在BWB-450方案的基础上将外翼段后掠角增加5°,机身前缘后掠角度增加3°,从而最终得到了BWB-250方案(图9)。除了客机方案外,作为美国四大军火商之一,波音同时推出了基于该外形的轰炸机方案(图10)。

2.2 N+2/N+3计划方案

在NASA主导的N+2计划中,共有波音公司、洛克希德马丁公司和诺斯罗普格鲁门公司三个研发团队,针对飞行速度Ma=0.85、座级224、航程14 816km的客机开展研究,并提出各自方案。波音公司针对2025年投入运营的民机发展了三款飞行器^[9],分别是先进常规构型(T&W)、先进双发中部安装传统机身布局(AT&W)以及BWB布局,分别为2025-0005、2025-0027A以及2025-0009A(图11)。动力装置包括罗罗公司的先进三轴涡扇发动机(NG AAT)、普惠公司的齿轮传动风扇发动机(GTF)或罗罗公司的开式转子发动机(OR)。

诺斯罗普格鲁门公司研究团队在N+2方案中采用了飞翼(Fly Wing,简称FW)布局,如图12所示^[10],中央机身作为主要装载区域,四台发动机位于两侧的翼身融合段。研究人员发现随着客舱布置的不同,飞翼外形尤其是中央机身会有明显变化,进而影响到方案可行性。为降低跨声速下的气动设计难度,降低机体厚度,研究人员采用了单层机身布局,中央机体前段和中段为客舱区域,典型三舱排布可容纳224名乘客。机体后段为可容纳多个LD3集装箱的货舱区域,通过向下打开中央机身后缘进行货物的装卸,该通道还可用于乘客登机和应急撤离。评估结果表明该布局可带来可观的燃油收益,并降低12%的CO₂、16%的氮氧化物排放以及75%的起飞阶段噪声。

在N+3代客机计划的第一阶段研究工作中,波音公司亚声速超绿色飞机研究(Subsonic ultra green aircraft research,简称SUGAR)团队推出了BWB布局方案SUGAR Ray^[11],采用可折叠机翼,折叠后翼展49.2m,双发CFM-56-7B发动机安装在后机身上部。Sugar Ray方案在气动特性研究过程中针对融合体前缘采用自然层流减阻技术,并在湍流区域采用小肋减阻,如图13所示,其中蓝色所示区域采用自然层流技术,红色所示区域采用小肋湍流减阻技术。方案假定巡航状态下处于一种自配平状态,阻力项只包括了占比52%的零升阻力、占比42%的诱导阻力以及占比6%的压缩性阻力。在设计速度Ma=0.70、巡航升力系数CL=0.3、巡航高度35 000ft情况下,其升阻比可达26.611。

N+3计划中的NASA Glenn中心发展了基于分布式电推进(Turboelectric Distributed Propulsion,简称TeDP)的N3-X方案^[11],采用翼身融合布局,如图14所示,任务剖面与B777-200LR类似,航程7 500n mile,巡航马赫数0.85,三舱300座级,可以降低72%的油耗,满足N+3的油耗指标。NASA将继续研究该飞机在油耗、排放、噪声和起降场长等方面的潜力。

N+3计划中的麻省理工团队提出了一种基于B777-200LR尺寸的国际航线飞机方案^[11],从剑桥与麻省理工合作的SAI项目方案演化而来。图15给出了该布局的主要技术特点:采用嵌入式分布推进,通过将发动机嵌入后身上方,更有效的利用边界层吸入技术,并可屏蔽发动机向地面的噪声传递;采用变弯度前缘的升力体机身;不带前缘缝翼或襟翼的机翼。该方案可实现油耗降低54%,氮氧化物排放相对于CAEP 6降低81%,相对于四阶段具有46dB的噪声裕度,但该性能距NASA制定的N+3代指标尚有一定差距。

2.3 NAH项目方案

在新航空地平线(New Aviation Horizons,简称NAH)项目中,Dzyne技术公司^[6]认为如果BWB布局在支线座级下仍采用类似大型BWB客机那样的客舱在上层、货舱与起落架在下层的双层机身,将会显著增加机体相对厚度,不利于跨声速巡航。如图16所示,该公司推出的BWB布局支线机方案Ascent-1000将货舱和燃油箱布置在客舱两侧的机翼段翼根处,起落架从客舱下方转移到了后侧,安装在后翼梁之后、短舱支架下的空间。通过对货舱与起落架舱的优化布置,实现了机身的单层设计(图17),显著降低了全机各剖面的厚度分布。在支线客机领域,Ascent各方案相对于现役的先进常规构型客机(庞巴迪CS-100max、波音737-8、波音737-9)大幅提升了乘客空间,单位耗油率降低了30%以上,展示出可观的市场前景。

3 欧洲BWB布局研究进展

3.1 欧盟第五/六研究框架方案

MOB(Multidisciplinary Optimization of a Blended Wing Body),即“BWB布局多学科优化设计”项目^[13]。目标是建立一整套方法、工具以及体系流程,以便在欧盟内部针对某个创新的飞机概念实现高效的设计优化,使其性能明显优于现有的设计方案。围绕该目标,MOB团队开发了分布式多学科设计优化环境CDE(Computational Design Engine),为了使项目成员采用统一的飞机模型输入,荷兰代尔夫特理工大学在ICAD环境下开发了多布局模型生成器MMG(Multi-model generator)。该方案飞行状态为:巡航速度Ma=0.85,巡航高度35 000ft,配平重心处于飞机装载最大载荷,剩余一半燃油时的位置,如图18所示。

在欧盟第五研发框架计划(fifth framework programmer, 简称FP5)的资助下,由空客公司主导,来自欧洲研发机构、航空制造商以及高校等共17个参与方合作开展高效大型民机(Very Efficient Large Aircraft,简称VELA)项目^[14],研究周期为2002年~2005年。该项目针对三舱750座级(高密度1 000以上座级)的BWB布局开展方案研究,并开发相应的设计优化的方法工具。如图19所示,VELA项目中总共发展了三种BWB方案,包括VELA 1、VELA 2以及VELA 3。其中VELA 1展长99.6m,全机参考面积2 012.2m²,由四台Trent 900f15发动机提供推力。最大起飞重量777t,使用空重551t。VELA 2相对于VELA 1增加了中央机身与外翼段的后掠并降低了外翼段安装位置,加大了翼身之间的融合度。通过对于上述两种布局研究分析后,最终形成了经过进一步调整优化后的VELA 3方案。

为应对BWB型号应用面临的诸多挑战,对应急撤离、机场适应性等困扰BWB型号化的问题,VELA项目以工作包方式将其向各研究机构进行分发。格林威治大学针对VELA方案在舱内火势蔓延或出现其他威胁乘客安全的情况下,开展应急撤离模拟研究,如图20所示。在研究过程中,BWB布局总共设置有25名机组成员,相当于每个出口配备有一名机组成员,在飞机中间区域有另外5名机组成员。在模拟过程中,关闭单侧出口,只有左侧的出口打开,每名乘客会尝试从最近的出口撤离。为了降低疏散时间,将软件设置为除了最近的出口外,乘客会尽量从其他备用出口撤离,模拟结果显示最终方案满足90s要求。在机场适应性研究方面,空客公司开展了VELA 2方案的机场服务以及装载场景模拟(图21),包括登机梯、电源车、食品车、垃圾车以及货物装载的工作场景模拟,分析了当前机场设施对BWB布局的兼容程度。

针对民机噪声问题,从2003年11月开始,英国剑桥大学(CU)和美国麻省理工学院(MIT)的联合研究所(CMI)及其他参研方,合作开展了为期三年的静音飞机预案(Silent Aircraft Initiative,简称SAI)项目研究^[15]。目标是设计一款极大降低机场周边噪声,且油耗和污染物排放明显低于现有常规构型的中航程客机。该项目BWB布局方案包括三轮设计过程,分别是:SAX-12、SAX-29以及SAX-40,如图22所示。最终方案SAX-40机身长度44m,翼展67.5m,最大起飞重量150t,载客量215人,巡航速度Ma=0.8,航程9 250km;动力系统包括三台“Granta-3401”组成的发动机组。

新飞机概念研究(New Aircraft Concept Research,简称NACRE)项目始于2005年4月^[16],研究周期5年,属于VELA的延伸项目,由欧盟第六研发框架计划(sixth framework programme,简称FP6)资助。该项目由空客公司主导,来自13个欧洲国家的36个合作方共同参与。以VELA 3作为基准方案,750座级、航程14 168km,通过重新设计中央机身翼型以及外翼段的扭转,NACRE FW-1方案具有更佳的气动和操稳特性。在FW-1的基础上,对发动机位置、起落架布置进行权衡设计,将短舱从翼吊改为机身背上支撑,以最大程度屏蔽发动机对地面的前传噪声,起落架的运动机制从两侧收放改为前后收放,并将位置调整到货舱的侧边。通过对客舱的重新布置,应急撤离时间从90s进一步降低至84s。全机投影面积从2 050m²降低至2 000m²,增加了浸润展弦比,进一步提升了飞机气动特性,同时采用开裂式襟翼获得更佳的横航向操稳特性,优化后的方案命名为NACRE FW-2,如图23所示。将NACRE的最终方案FW2与展长100m的常规方案Vref100,以及原始BWB方案VELA 3进行对比。结果显示,NACRE项目将BWB布局的每名乘客的可用空间提升了15%,升阻比提升了4.5%,最大起飞重量降低了6.45%,轮档燃油降低了18.9%,进一步提升了整体性能。

ACFA 2020项目重点关注的是中型民机^[17],以及针对这些新构型民机要进行主动控制系统(包括飞行控制以及结构控制)的设计优化工作。事实上,ACFA 2020的报告中也指出,该项目核心工作就是“主动控制方案的开发与评估”。ACFA 2020在初始设计阶段,针对450座级、航程13 334km、巡航速度Ma=0.85的设计要求,同时开展两种布局方案设计,如图24和图25所示,分别为慕尼黑工业大学的BWB布局以及空客公司的宽机身布局(CWB)。并行设计的目的在于考虑更多的布局与常规方案进行比较,结果显示BWB飞机具有更加优越的气动特性、结构重量更轻,燃油效率提升了13%,远高于CWB布局的飞机,因此在后续的工作中以BWB布局为基准开展研究。

3.2 代尔夫特大学Flying-V方案

荷兰代尔夫特理工大学在荷兰皇家航空公司(KLM)的资金支持下,提出了翼身融合的变体Flying-V,也被称为V型飞翼方案,如图26所示,该布局将客货舱、燃油箱、其他固定设备与系统均集成到机翼之中,称之为Flying-V^[18]。飞机的最大载客量314座,货运容积160m³,商载能力与A350相当。该方案全机宽度65m,全机长度55m。尽管与空客A350相比机身较短,但二者具有相同的机翼跨度。这使Flying-V可以使用现有的机场基础设施,例如登机口和跑道。经初步分析,该飞机相对A350-900可降低20%的燃油消耗,荷兰皇家航空公司预计其将于2040年2050年进入市场。

在荷兰进行了一系列的风洞测试和地面试验之后,2020年夏,代尔夫特理工大学项目团队与空客的研究人员合作,在德国某空军基地开展了Flying-V缩比验证机的首次测试飞行(图27和图28)。该验证机总重22.5kg,翼展3m,采用了两台4kW的电推进发动机,在测试中展示了其良好的飞行特性。

3.3 空客公司方案

空客公司在2020年的新加坡航展上展示了一款BWB技术验证机——MAVERIC(model aircraft for validation and experimentation of robust innovative controls)^[19],全机长2.0m,宽3.2m,翼面积约2.25m²。该验证机又被称为“游侠”,主要目的是用于验证BWB布局操纵控制技术的鲁棒性,概念机如图29所示。目前针对该验证机的资料较少,该验证机于2017年开发,制造工作由位于图卢兹空客飞行试验室的MAVERIC项目团队完成,并在2019年6月首次升空。目前已在英国空客的菲尔顿工厂进行了风洞测试,以验证其气动特性。未来的试飞测试将重点关注低速起降的操稳问题,以及大攻角失速下的飞行控制问题。

随着“绿色环保”理念的深入人心,新能源在航空领域的应用研究受到广泛关注,空客公司最近致力于利用氢燃料解决民机污染物排放问题。2020年9月,空客公司发布了代号为ZEROe的3款氢能源概念飞机^[20],包括:采用氢燃料涡扇发动机的单通道客机、采用氢燃料涡桨发动机的支线客机以及采用氢燃料分布式推进的BWB布局客机,如图30和图31所示。其中,BWB布局客机最多可搭载200名乘客,航程约3 704km。宽大的机身可为乘客提供全新的沉浸式客舱内部体验,并为氢燃料的存储提供了充足的空间。据推测,该BWB布局的氢燃料动力飞行器采用了MAVERIC所积累的技术成果,为型号化应用打下基础。

3.4 俄罗斯BWB方案

俄罗斯对BWB布局及相似布局的探索最早可以追溯到1991年,图波列夫设计局推出了TU-404方案,如图32所示,从概念草图中可以看出包括多发涡桨、多发涡扇和双发涡扇。该机展长约110m,机身长度59.7m,可携带多达1 214名乘客飞行13 000km,该机型同时衍生出了轰炸机方案。中央流体研究院(TsAGI)1996年推出了900座级的BWB布局客机方案FW-900^[21]。座级定位与麦道公司的早期方案类似,翼身之间采用中等融合度。典型三舱布置可容纳750名乘客(全经济级950名),翼展106m,最大起飞重量560t,翼吊四台35kN的涡扇发动机。继FW-900之后,TsAGI陆续设计了其他几种基于翼身融合理念的新构型民机,包括混合翼身融合(TsAGI-IWB)、升力体布局(TsAGI-LF)以及飞翼布局(TsAGI-FW),如图33所示。

4 翼身融合布局面临的挑战

随着对翼身融合布局方案发展的逐渐深入,该布局的技术挑战逐渐凸显。由于乘客集中在大堂式的客舱段内,人员疏散非常复杂,随着客舱面积的增加,BWB为每名乘客提供的应急撤离能力越来越差,在一个扁平客舱段内如何布置逃生通道让所有乘客能在90s内撤离是个棘手的问题。翼身融合特征的飞行器一般纵向长度较短,而且不存在常规布局的等值段,因此应急出口设计难度较高。为了满足适航规章中对应急撤离的要求,舱门的设计需要合理的利用布局空间,由此出现了不少创新设计,如图34所示,包括在客舱上翼面开口、融合段前缘开口、客舱后缘开口以及类似军用运输机的蚌式舱门等。

BWB布局在舒适性方面也面临着诸多挑战,由于中机身较短,横向乘客座椅排布较多,例如波音BWB-450方案单排最多有26名乘客。中间位置的座椅距离窗户较远,有些方案甚至根本就无法布置舷窗,这就导致乘客视野受限,采光性较差,极大降低了乘客的乘坐舒适性,此外,较宽的机身会导致最外侧乘客在飞机滚转和偏航过程中承受较大的过载,影响飞行体验。目前航空制造商提升舒适性的主要手段包括:增加乘客可享受的个人空间、采用电子屏实时传回飞机外的图像、提升客舱内饰的设计水平等,例如VELA项目中就大量采用了人工舷窗,将外部情况通过电子屏在客舱内进行显示,如图35所示。

BWB布局设计的另一个技术挑战是非圆截面机身结构承受客舱增压载荷的能力弱于传统的圆截面机身,在承受客舱增压载荷时,机身结构将承受较高的弯曲应力,而不是传统圆形截面机身产生的表面膜应力。由于机身也产生额外升力,因此机身弯矩又会增加这种弯曲应力状态,从而导致BWB布局的非圆截面机身结构承载效率低,稳定性差,导致结构增重^[33],图36给出了在相同舱压载荷下,不同截面形状承受的应力对比。

此外,BWB布局控制面的数量、操纵效率及控制律设计等都和常规布局相差甚远。在高速巡航时操控问题还不是那么突出,但在低速(起飞和着陆)情况下对飞行员的操纵、飞机的稳定性设计与系统设计均提出了更高的要求。

虽然翼身融合布局经过多年的方案探索已验证其在经济性和环保性方面的巨大收益,相关的验证机试验试飞也部分支持了这种结论,但距离真正的型号化和工程化应用还有较大差距,应急撤离、低速起降性能、非圆截面结构设计及飞控系统设计等诸多问题还尚待解决。

5 结论

翼身融合布局客机由于在气动及结构减重方面的潜在优势,因此受到各大研究机构的格外关注。总结后得到如下结论:

1) 欧美面向2035年未来民机产品正积极推进工程化和型号化应用,目前已系统开展了多种具有翼身融合特征的布局方案设计及验证机项目研究,预计在2035年左右会推出翼身融合布局民机产品,是最有可能最先进入市场的非常规构型;

2) 欧美各项目团队在未来民机方案设计过程中,充分发挥了前期预研作用,将关键技术探索工作(如多学科设计优化技术、层流设计技术和新能源新动力应用技术等)与预研方案设计并行开展,在准确把握新构型方案的设计脉络的同时提供技术支撑,最大程度发挥翼身融合构型的布局优势;

3) 由于常规布局已在预研-设计-制造-运营-维护以及运行方面形成非常成熟的全生命周期流程,BWB布局想要在残酷的民机市场中挤占位置,通过方案设计证明其性能优势是远远不够的,必须综合考虑新的生产线、新的机场设施、地勤维护与机组培训在内的运营成本,以及乘客和航空公司的接受度,满足各个利益攸关方的需要和关切之后,才能得到一款可以推向市场的民机方案。

参考文献