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无限红梨
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[转帖]机身机翼融为一体,未来的民用飞机都长这样?
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无限红梨 于 2019/7/14 9:21:54 发布在 凯迪社区 > 珠三角
    作者| 薛定谔的熊猫,军事爱好者

    在大家的印象里,似乎大部分民航客机的气动外形都差不多,无非一个滚筒型的机身,以及两侧的机翼,只不过有的飞机是双发机有的是四发机,三片式的平尾以及垂尾也大同小异。

    这也难怪,毕竟在波音-7071954年首飞并奠定了现代喷气式客机的“筒体-机翼”的构型之后,就很少有公司敢进行大刀阔斧的改进了。至今,对飞机构型的改进仍停留在改变翼型、加装翼梢小翼、优化风挡形状等等“小修小改”上。

    

    (波音-707奠定了现代喷气式客机“筒体-机翼”的构型)

    然而,航空工程师们并没有放弃对喷气式客机构型进行探索,各国的飞机制造商都推出了自己的验证机项目,譬如美国波音公司就在2004年开始了X-48B无人未来客机验证机项目。

    

    (X-48B验证机)

    中国虽然在航空领域起步晚,基础相对较薄弱,但是航空装备制造干系重大,因此,在喷气式客机构型上也一直在努力,就在2017年,我们做出了中国对未来客机的第一步探索——“灵雀”(Sparrow)系列缩比验证机。

    

    (中国的“灵雀”验证机)

    (一)为什么大家都爱“翼身融合体”?

    大家可以很容易就发现,不管是美国的X-48验证机,还是中国制造的“灵雀”验证机,其机翼与机身的连接都相比一般的客机“圆润”得多。在航空领域,这被称为“翼身融合体”(Blended Wing Body)设计,下文中简称为BWB。

    那么,这样的设计究竟有什么魔力,会让中美两个大国的飞机制造商,都趋之若鹜呢?

    传统的“筒体-机翼”设计,拥有比我们想象的长得多的历史,最早甚至能追溯到1920年代的德国容克三发客机。其能在喷气时代沿用至今,其实主要是由于技术较为成熟。规则的筒状机身便于加长、缩短,为客机的家族化提供了便利。在航空界,差20座的飞机甚至就能单独分出一个新的市场需求。

    

    (空客A-320家族)

    然而其缺点也显而易见,机身承受了绝大多数的载荷,却产生很少的升力,翼根处的应力非常集中,必须在翼根设计一个极为坚固的“中央翼盒”结构,由此带来巨大的重量增加。人们一直在研究更好的解决方案,而BWB设计就是其中非常优秀的一种。

    BWB设计具体指的是以加宽的筒体为基础,机翼在翼根处圆滑地融入机体,在外观上浑然一体,机翼与机体没有明显的分界线的设计,整架飞机看上去会短、宽许多。在战斗机上BWB设计被采用也已经有不短的时间了,但其主要作用是在于降低阻力,使蒙皮更加平顺流畅,更符合“跨音速面积率”。

    

    (在歼-10战机机身中段,就能明显看到翼身融合的曲线)

    而在民航飞机上,这样的设计,相当于把不产生升力的筒体“藏”到了一片更加“肥厚”的机翼当中去,不仅提升了整机的升力系数,而且改善了应力分布,在经济性上比传统构型要好得多。对于300座以上的客机,采用BWB设计甚至可以降低油耗45%以上。

    实际上,BWB设计内部还是区分机身和机翼的,只不过外观难以分辨,至少制造起来成本可接受得多。

    (二)形不似神似?X-48B与“灵雀”的跨国PK

    可能有细心的读者已经发现,虽然两家公司的验证机都采用了BWB设计,但是它们的外观看上去并不相似。X-48B看上去更科幻,而“灵雀”验证机与传统客机相似之处更多。

    首先,两者的翼面数量就不一样,X-48B是没有尾翼的,而“灵雀”验证机却有一对呈V型的尾翼。

    X-48B的设计被称为无尾设计。这是一种较为激进的设计,未来的民机要是采用这种构型,就要依赖于更先进、稳定的飞控系统才能安全地飞行。

    取消尾翼可以大幅降低阻力,但同样会加大操控和保持航向稳定性的难度。虽然波音的工程师加长了翼梢小翼,使之具有了一定的垂直尾翼效果,但是尾翼依然是无法完全被替代的。

    而“灵雀”的设计被称为“V尾”。倾斜的尾翼可以同时保证和控制航向、垂直方向的指向,同时相比传统的三片式尾翼设计,能够减少尾翼在来流中的浸湿面积,省去约30%左右的阻力和重量。

    相比于无尾设计,V尾是一种更折衷的方案。同样的设计也出现在了中国的军贸明星产品——彩虹-5无人机的身上。

    

    (彩虹-5无人机)

    从结果上来看,或许有尾设计现阶段还是更符合民航飞机的选择。在2012年NASA的“环保航空”计划(Environmentally Responsible Aviation,简称 ERA)中,波音公布了自己的中期未来民航技术验证机。可以看到,波音已经把X-48B上没有的尾翼又加回去了。

    

    (波音基于X-48的ERA中期未来客机方案,把尾翼加回去了)

    其次,两者的发动机布置的位置也有所不同。“灵雀”选择了把发动机吊挂在翼下,而X-48选择了发动机上置。

    前者是比较传统的发动机布置方式,由于升力会在机翼上形成一个升力矩使其弯扭,而在翼下吊挂一个发动机正好可以平衡这个力矩,减小结构重量,因此大部分大尺寸的民航机都会采取这种布置方式。

    后者则是一种理念更为新颖的设计,发动机上置使得飞机机体成为了发动机噪音的天然“挡板”,能大大降低地面感受到的噪声。然而,其缺点就是在飞机大迎角进近时,发动机却可能由于机身的遮挡,导致进气不足,算是这个布局的一个小缺陷。

    除了这些方面以外,这两架验证机的设计思想、验证技术也还有诸多的不同。比如X-48的起落架不可收放、而“灵雀”的起落架是可收放的。

    这种不同是令人可喜的,因为这正说明了中国制造是善于找到适合自己的发展方向的,既没有盲目乐观,也不妄自菲薄,而是脚踏实地验证和运用自己所需要的技术。

    (三)未来客机真的都是“翼身融合体”构型的么?

    BWB设计优点很多,但并没有在民航领域得到推广,这是为什么呢?

    首先,BWB飞机在机舱布置上难度比较高。

    传统客机的座位是一列列的,即使是最大的飞机,经济舱乘客距离过道也不会超过两个座位的距离,舷窗也能保证机内的采光良好。然而,在BWB飞机上,机舱的宽度骤然加大,大量的经济舱乘客需要坐在中间的位子当中。

    试想一次十小时的跨洋航班,你大部分的时间都坐在低矮机舱的中间,这体验应该没有人会喜欢。而且当遇到险情时,中间的乘客距离逃生通道实在是太远了,不仅逃生效率低下,还很可能会引起机内的混乱。

    

    (中间的乘客见不到阳光,恐怕只有开天窗了)

    但你也不要以为,坐在两边就会很舒服了。飞机在空中是需要做机动的,一旦飞机需要做横滚机动,坐在最两侧的乘客距离中轴最远,体会到的加速度也更大。这样被甩来甩去,如果不系安全带,头都有可能撞到天花板,显然也不是什么美好的体验。

    

    (BWB客机的乘坐体验未必会好)

    其次,BWB飞机对于机场的设施也是一个考验。

    比如大家坐飞机时会走的廊桥,在BWB飞机上就很难实现。机场的滑行道宽度、调度系统、上置的发动机检修也都是大问题。可能为了更换这些配套设施,增加的成本就会完全盖过飞机本身所节约的,反而得不偿失。

    总的来说,虽然BWB设计省油、降噪的愿景十分美好,但是短期内,我们是不太可能看到BWB飞机真正成为一个实用化型号的民航客机,出现在市场上的。

    结语

    “灵雀”验证机项目是一个里程碑,标志中国未来民机探索正式进入了飞行验证阶段。不过,“灵雀”验证机虽然很美,但大家还是要明白,它并不是真正的一个客机型号的缩比验证机。

    以后,虽然我们很可能不会看到和它相似的飞机,但它的价值绝不会因此而打折扣。或许,在以后某一款中国制造的大飞机上,就有它曾经验证过的先进技术,这也正是它的使命所在。

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    回帖人: | 只看此人 | 不看此人 | 2019/7/14 9:33:22    跟帖回复:
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    我纵横凯迪多年,自以为再也不会有任何帖子能打动我,没想到今天看到了如此精妙绝伦的这样一篇帖子.~
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    快速回复:[转帖]机身机翼融为一体,未来的民用飞机都长这样?
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