張斌++趙群力

2014年2月18日，美國《航空周刊》報道了洛克希德·馬丁公司提出的混合翼身布局概念（Hybrid Wing-Body，HWB）。HWB布局是一種翼身融合體布局與常規(guī)布局相結(jié)合的混合布局，其機體前部分采用翼身融合體布局，機體后部分采用常規(guī)后機身加尾翼布局。HWB布局最大的特點是空氣動力效率高、燃油消耗率低。據(jù)洛克希德·馬丁公司估計，HWB布局飛機的空氣動力效率要比C-17運輸機高65%，比C-5高30%，在低馬赫數(shù)下比波音787高5%。如果飛機采用雙發(fā)HWB布局，該飛機在有效載重為100噸的情況下，其起飛距離可小于1980米，飛行距離可達5900千米，其燃油消耗可比C-17運輸機降低70%。

HWB概念的提出背景

為了尋求能顯著提高運輸機空氣動力效率和能效的氣動布局，美國空軍研究實驗室（AFRL）在2009年啟動了“提高能效的革命性布局”（Revolutionary Configurations for Energy Efficiency，RCEE）項目。該項目提出的目標是，尋求先進啟動布局技術(shù)，要能夠?qū)敃r的燃油消耗降低90%、空氣動力效率提高30%，且新技術(shù)能在2030～2050年投入使用。RCEE項目分2個階段進行，第1階段為2009～2011年，目標是確定燃油消耗比現(xiàn)在降低90%的下一代空中運輸機布局；第2階段為2011～2015年，對所確定的新型氣動布局技術(shù)進行深入研究。

波音公司在第1階段提出了由多種構(gòu)型組成的混合空中運輸編隊，包括有：有效載重為20噸的桁架式機翼全電推進運輸機設計；有效載重為40噸的分布式混合電推進運輸機設計；有效載重為100噸的翼身融合體混合電推進運輸機設計。上述設計均能滿足燃油消耗降低90%的要求。在第2階段，波音公司將集中研究分布式推進和混合電推進技術(shù)。

洛克希德·馬丁公司為了達到燃油消耗降低90%的目標，在項目第1階段對飛機各種氣動布局和技術(shù)進行了大量的研究，研究表明混合翼身布局（HWB）可能在降低燃油消耗方面具有巨大潛能。因此洛克希德·馬丁公司提出了HWB布局概念。在項目的第2階段，洛克希德·馬丁公司進一步細化了HWB布局。

HWB布局飛機的總體設計特點分析

HWB布局飛機具有較高的空氣動力效率和結(jié)構(gòu)效率，并且可以像常規(guī)布局運輸機一樣在空投和空運時利用尾翼控制飛機的重心。HWB布局飛機的氣動設計有以下幾個特點：

機體前部采用翼身融合體布局

大量研究表明，翼身融合體（BWB）布局具有高效的氣動效率，HWB布局繼承了BWB布局的氣動優(yōu)勢，機體前部也采用了翼身融合體布局，這樣可以減小阻力、增加升力、增加機體內(nèi)部容積。飛機阻力主要包括摩擦阻力和誘導阻力。摩擦阻力與浸潤面積相關(guān)，浸潤面積越小摩擦阻力越小，在定容積情況下，與常規(guī)布局相比，HWB布局可以減小浸潤面積，從而減小摩擦阻力。HWB布局機身與機翼相互融合，可以有效減小常規(guī)布局中機身對機翼的氣動干擾，從而減小氣動阻力。此外，HWB布局可以在不增加機翼重量的情況下增加翼展，展弦比可以由常規(guī)布局的9增加到12，從而減小誘導阻力。HWB布局機身比常規(guī)布局更加扁平，整個機體是一個升力面，可以大大增加飛機的升力。HWB布局的扁平機身與機翼根部內(nèi)部有足夠的裝載空間，可以進行大批次和特殊貨物的運輸。

機體后部采用常規(guī)后機身加尾翼布局

HWB布局飛機的機體后部采用常規(guī)后機身加尾翼布局，可以防止運輸機在空投時發(fā)生重心突變，并且具有良好的操縱性?？胀赌芰κ擒娪眠\輸機的重要技術(shù)指標之一，運輸機在實施空投任務時其重心會發(fā)生突變，甚至超出前、后限，這就需要通過操縱飛機的舵面來控制飛機的穩(wěn)定性。HWB布局飛機可以通過尾翼來控制飛機，雖然與飛翼布局相比，T型尾翼會增加5%的誘導阻力，但在執(zhí)行空投任務時尾翼可以利用魯棒控制保持飛機重心在20%平均氣動弦內(nèi)。這對于完全采用BWB布局的飛機則是一個很大的技術(shù)挑戰(zhàn)，因為BWB布局的控制響應是非線性和高度耦合的，為了控制飛機，BWB布局飛機必須同時控制多個操縱面。此外，有了常規(guī)尾翼后，HWB布局飛機可以實現(xiàn)短距起降，并且飛行員可以像操縱C-5和C-17運輸機一樣容易操縱HWB布局飛機。

發(fā)動機安裝在機翼后緣上方

一直以來，飛機設計都避免發(fā)動機安裝在機翼后緣上方，因為這種安裝方式在跨聲速時會引起機翼不利干擾，但HWB布局飛機的設計者提出將發(fā)動機通過支柱支撐的方式安裝在機翼后緣上方。他們認為發(fā)動機安裝在機翼后緣上方有利于提高升力和升阻比、減小進氣道畸變、降低噪聲。洛克希德·馬丁公司對發(fā)動機安裝在機翼前緣，機翼后緣以及前機身位置時的巡航干擾阻力進行了研究。研究結(jié)果表明，發(fā)動機短艙安裝在機翼后緣上方有利于提高升阻比，并且發(fā)動機安裝在機翼后緣上方比發(fā)動機安裝在機翼下的空氣動力學效率要高5%。從增升角度看，將發(fā)動機安裝在機翼后緣上方，發(fā)動機吸入的氣流可以為機翼提供很大的吸升力，這可使最大升力系數(shù)增加15%。這種增升原理與C-17運輸機翼下形成高壓區(qū)的增升原理類似：C-17運輸機將發(fā)動機安裝在機翼下面，翼下發(fā)動機噴出氣流會打到下偏的襟翼上，從而在翼下形成高壓區(qū)進而起到增升作用。從進氣道效率來看，將發(fā)動機安裝在機翼后緣上方，發(fā)動機短艙前面長長的翼弦可以起到氣流導向器的作用，從而減少進氣道畸變。從噪聲角度來看，將發(fā)動機安裝在機翼后緣上方，機翼可以阻擋發(fā)動機噪聲，從而有效地減少噴氣發(fā)動機噪聲對地面的影響。

HWB布局的主要技術(shù)問題是結(jié)構(gòu)問題

常規(guī)布局的機身為圓柱形機身，機身內(nèi)部的壓力均勻分布，容易保持機身內(nèi)部密封。但HWB布局的機身為扁平機身，這將使結(jié)構(gòu)承受更大的壓力載荷，再加上要承載機翼彎曲載荷，所以HWB布局會存在結(jié)構(gòu)問題。這是BWB布局的共性問題，采用BWB布局的X-48也面臨同樣的問題，經(jīng)過研究NASA的研究人員提出采用復合結(jié)構(gòu)來解決這個問題。

對HWB布局的幾點看法

NASA和波音公司對BWB布局進行了大量研究，其研究結(jié)果表明，BWB布局與常規(guī)布局相比，可以顯著提高空氣動力效率，降低燃油消耗，但BWB布局面對一個很大的技術(shù)挑戰(zhàn)，那就是飛行控制問題。洛克希德·馬丁公司提出的HWB布局很好地繼承了BWB布局的高效率氣動優(yōu)勢，繞開了BWB布局的飛行控制問題，可謂是一種革命性氣動布局。其發(fā)展前景如下：

HWB布局有可能成為美軍下一代軍用運輸機優(yōu)先選擇的氣動布局。

首先，HWB布局是針對軍用運輸機提出來的，HWB布局概念考慮了運輸機貨物裝載和空投時重心突變等問題。

其次，按照計劃C-17運輸機將在2033年開始退役，C-17運輸機的研制花費了21年，所以現(xiàn)在是美國開始著手研制下一代運輸機的時候了。從氣動效率角度看，BWB布局最有望成為美軍下一代軍用運輸機的優(yōu)先氣動布局，但是BWB布局的控制問題現(xiàn)在仍然沒有得到解決，而機體后部采用常規(guī)尾翼布局的HWB布局規(guī)避了BWB布局存在的控制問題。所以HWB布局有望成為美軍下一代軍用運輸機優(yōu)先選擇的氣動布局。

HWB布局有可能成為未來民用客機優(yōu)先選擇的氣動布局。民用客機要求經(jīng)濟性、安全性和靜音性好。據(jù)洛克希德·馬丁公司估計，HWB布局的氣動效率在低馬赫數(shù)下比波音787高5%；HWB布局發(fā)動機安裝在機翼后緣上方可以避免非包容性發(fā)動機事故沖擊到客艙、油箱；機身可以遮蔽風扇噪聲傳播，避免發(fā)動機排氣噪聲被機翼下表面反射。因此，HWB布局有利于提高飛機的經(jīng)濟性、安全性和靜音性，有可能成為未來民用客機優(yōu)先選擇的氣動布局。endprint