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        民用飛機(jī)氣動布局發(fā)展演變及其技術(shù)影響因素

        2016-05-05 07:01:40張帥夏明鐘伯文
        航空學(xué)報 2016年1期
        關(guān)鍵詞:航空運(yùn)輸總體設(shè)計民用飛機(jī)

        張帥, 夏明, 鐘伯文,*

        1. 中國商飛北京民用飛機(jī)技術(shù)研究中心 總體論證研究部, 北京 102211

        2. 南京航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院, 南京 210016

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        民用飛機(jī)氣動布局發(fā)展演變及其技術(shù)影響因素

        張帥1, 2, 夏明1, 鐘伯文1,*

        1. 中國商飛北京民用飛機(jī)技術(shù)研究中心 總體論證研究部, 北京102211

        2. 南京航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院, 南京210016

        摘要:在民用飛機(jī)氣動布局發(fā)展演變的歷程中,技術(shù)因素是根本推動力。為了研究未來民機(jī)的發(fā)展方向、技術(shù)需求以及應(yīng)對策略,在回顧民機(jī)氣動布局發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上,梳理了在現(xiàn)代民機(jī)氣動布局形成與演變過程中有著重要影響的4大類技術(shù)因素:航空發(fā)動機(jī)、氣動設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、飛行控制,并且揭示了這些技術(shù)因素在民機(jī)發(fā)展及其氣動布局演變中所發(fā)揮的作用。結(jié)合未來航空運(yùn)輸市場出現(xiàn)的新需求,分析了未來民機(jī)的主要發(fā)展方向,重點(diǎn)分析了未來非常規(guī)布局民機(jī)可能采用的翼身融合、雙氣泡機(jī)身、支撐翼以及聯(lián)結(jié)翼等氣動布局形式。最后探討了新技術(shù)條件下民用飛機(jī)發(fā)展在技術(shù)方面的需求和挑戰(zhàn),以及未來民用飛機(jī)總體設(shè)計的技術(shù)策略,明確了多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化是滿足未來民機(jī)總體設(shè)計需求的有效技術(shù)途徑。

        關(guān)鍵詞:航空運(yùn)輸; 民用飛機(jī); 氣動布局; 總體設(shè)計; 技術(shù)因素

        作為一種高效的運(yùn)輸工具,飛機(jī)在出現(xiàn)不久之后就引起了交通運(yùn)輸業(yè)的深刻變革,航空運(yùn)輸很快成為與陸運(yùn)、水運(yùn)并列的3大運(yùn)輸方式之一。航空運(yùn)輸?shù)淖钔怀鎏攸c(diǎn)就是高效率,而經(jīng)過近一個世紀(jì)的發(fā)展,民用航空運(yùn)輸在速度和運(yùn)力2個方面都有非常大的進(jìn)步。作為民航運(yùn)輸?shù)某休d者,飛機(jī)自身也經(jīng)歷了長時間發(fā)展演變和多次技術(shù)革命,不斷引入航空科學(xué)技術(shù)的最新成果,并不斷適應(yīng)世界航空運(yùn)輸業(yè)發(fā)展變化的需求。

        經(jīng)過近一個世紀(jì)的發(fā)展,民用航空運(yùn)輸業(yè)已經(jīng)空前繁榮,民用飛機(jī)制造業(yè)也在二戰(zhàn)前后經(jīng)歷了2次大發(fā)展,形成了今天民用飛機(jī)的基本氣動布局形式。民用飛機(jī)的發(fā)展伴隨著航空科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,民機(jī)氣動布局的發(fā)展演變本質(zhì)上是由于技術(shù)因素的推動。透過飛機(jī)氣動布局發(fā)展演變的歷史進(jìn)程,可以深入分析影響民用飛機(jī)氣動布局形成的技術(shù)因素,梳理氣動布局發(fā)展演變的技術(shù)脈絡(luò)以及民用飛機(jī)氣動布局與各學(xué)科技術(shù)之間的關(guān)聯(lián),進(jìn)而結(jié)合未來航空運(yùn)輸市場出現(xiàn)的新需求,明確新一代民用飛機(jī)的發(fā)展方向。本文在回顧民用航空發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上,分析現(xiàn)代民用飛機(jī)氣動布局的形成過程,探討影響現(xiàn)代民機(jī)氣動布局的技術(shù)因素,從技術(shù)角度審視未來民用飛機(jī)的發(fā)展方向及其技術(shù)瓶頸,從需求角度評判專業(yè)技術(shù)成果對民機(jī)發(fā)展的推動作用,以明確未來民機(jī)發(fā)展在技術(shù)方面的需求和挑戰(zhàn),從而為明確具體專業(yè)技術(shù)的預(yù)研方向以及新一代非常規(guī)布局民用飛機(jī)的總體設(shè)計技術(shù)策略提出建議。

        1民用飛機(jī)氣動布局發(fā)展回顧

        民用航空運(yùn)輸業(yè)起源于20世紀(jì)20年代,在20世紀(jì)30年代實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展,開始出現(xiàn)航空客運(yùn)業(yè)務(wù),并且提出了“現(xiàn)代客機(jī)”的概念,涌現(xiàn)出以波音247、DC-2、DC-3等機(jī)型為代表的多種商業(yè)成功的民用飛機(jī)[1-2]。二戰(zhàn)期間,美國在運(yùn)輸機(jī)研制方面取得了較大進(jìn)展,并且在戰(zhàn)后航空運(yùn)輸市場上形成了優(yōu)勢[1-2]。隨著燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)在20世紀(jì)40年代末趨于成熟,英國率先使用這種發(fā)動機(jī),分別推出了采用渦輪螺旋槳的“子爵”客機(jī)和采用渦輪噴氣發(fā)動機(jī)的“彗星”客機(jī),獲得了很好的業(yè)績。然而,由于對金屬疲勞問題缺乏認(rèn)識,“彗星”客機(jī)連續(xù)發(fā)生了2次墜毀事故,給英國民航工業(yè)造成沉重打擊,同時也為美國在噴氣式客機(jī)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)超越提供了機(jī)遇。20世紀(jì)50年代,波音707和DC-8開始投入商業(yè)運(yùn)營,并且取得了前所未有的成功[2-3]。此后,民航客機(jī)常規(guī)氣動布局逐漸形成,近似圓柱形機(jī)身、后掠下單翼、單垂尾、翼吊或尾吊發(fā)動機(jī)等外形特點(diǎn)成為現(xiàn)代常規(guī)民航客機(jī)的典型特征[2-4]。

        20世紀(jì)60年代是民航工業(yè)大發(fā)展時期,中短程客機(jī)、中遠(yuǎn)程寬體客機(jī)以及超聲速客機(jī)相繼出現(xiàn),其中多個成功機(jī)型及其改進(jìn)型依然是當(dāng)今航空運(yùn)輸市場的主力。這一時期噴氣式客機(jī)的各類氣動布局集中出現(xiàn),成為常規(guī)氣動布局演化的源頭[2,5]。按照發(fā)動機(jī)安裝位置,噴氣式客機(jī)布局形式主要分為翼吊發(fā)動機(jī)和尾吊發(fā)動機(jī)2種;其中,翼吊4發(fā)是首款獲得商業(yè)成功的噴氣式客機(jī)波音707采用的布局形式,該布局也被大型遠(yuǎn)程寬體客機(jī)波音747延用;翼吊雙發(fā)和尾吊雙發(fā)布局的代表機(jī)型分別為波音737和DC-9;尾吊3發(fā)布局中短程客機(jī)的代表機(jī)型為波音727和“三叉戟”(Trident)。此外,還有一種翼吊雙發(fā)加尾部單發(fā)的3發(fā)布局形式,為早期的中遠(yuǎn)程寬體客機(jī)所采用,代表機(jī)型分別是DC-10和L1011。同一時期的超聲速客機(jī)“協(xié)和”和圖-144均采用了大后掠三角翼、無尾、細(xì)長機(jī)身的氣動布局形式,以適應(yīng)超聲速飛行的需求。在隨后近50年的發(fā)展歷程中,民航客機(jī)大都延用這一時期產(chǎn)生的氣動布局形式,其中的翼吊雙發(fā)布局更是成為客機(jī)氣動布局形式的主流。

        現(xiàn)代客機(jī)常規(guī)氣動布局在民用航空運(yùn)輸業(yè)發(fā)展壯大的過程中逐步形成,它直觀地反映了整個20世紀(jì)民用航空工業(yè)的技術(shù)水平。從木制結(jié)構(gòu)、拉力鋼線式機(jī)翼到全金屬半硬殼式機(jī)身、懸臂梁機(jī)翼,可見結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)的進(jìn)步是現(xiàn)代客機(jī)產(chǎn)生和發(fā)展的第一個動因;空氣動力學(xué)理論的產(chǎn)生和系統(tǒng)化發(fā)展,以及試驗(yàn)空氣動力學(xué)的快速進(jìn)步,為較大型飛機(jī)的氣動力設(shè)計奠定了基礎(chǔ);大型活塞式發(fā)動機(jī)配合變距螺旋槳動力系統(tǒng)的完善,及其效率和可靠性的提高,為民航客機(jī)帶來第一次全面發(fā)展[2,6]。以上因素共同促成了民航客機(jī)的產(chǎn)生和快速發(fā)展,同時也推動了民用飛機(jī)常規(guī)布局的發(fā)展和演變。而20世紀(jì)60年代民航工業(yè)的大發(fā)展則得益于噴氣推進(jìn)技術(shù)的成熟、全金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計水平的提高,以及跨聲速和超聲速空氣動力學(xué)方面的研究成果[7-9]。可以看出,技術(shù)因素是民用飛機(jī)氣動布局形成和發(fā)展的最主要推動力量。清晰梳理推動民用飛機(jī)氣動布局發(fā)展演變的技術(shù)因素,深入理解不同技術(shù)因素對氣動布局設(shè)計的最終影響,是正確把握未來民用飛機(jī)氣動布局發(fā)展的基礎(chǔ)問題,對新一代民用飛機(jī)氣動布局設(shè)計具有重要意義。

        2現(xiàn)代民用飛機(jī)氣動布局

        從航空推進(jìn)系統(tǒng)的角度來說,現(xiàn)代民用飛機(jī)的產(chǎn)生與發(fā)展橫跨螺旋槳系統(tǒng)與噴氣推進(jìn)系統(tǒng)2個時代。民航客機(jī)的動力系統(tǒng)從最初的活塞螺旋槳,發(fā)展到后來的渦輪螺旋槳、渦輪噴氣以及渦輪風(fēng)扇動力系統(tǒng),在氣動布局方面既有明顯的界限,也有一定的延續(xù)性。從推進(jìn)系統(tǒng)的演變對民機(jī)氣動布局的影響入手,可以比較直觀地理清現(xiàn)代民用飛機(jī)氣動布局發(fā)展演變的脈絡(luò)。

        2.1活塞/渦輪螺旋槳民用飛機(jī)

        大功率活塞發(fā)動機(jī)匹配變距螺旋槳的航空推進(jìn)技術(shù)在20世紀(jì)30年代已經(jīng)非常成熟;同時,半硬殼式機(jī)身、懸臂梁機(jī)翼與應(yīng)力蒙皮等結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)積累了豐富的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)。在這些技術(shù)的推動下,20世紀(jì)30年代成為活塞螺旋槳客機(jī)快速發(fā)展的時期,出現(xiàn)了多種成功機(jī)型,包括道格拉斯飛機(jī)公司著名的DC-3(如圖1所示[10])。

        圖1美國道格拉斯飛機(jī)公司DC-3(活塞螺旋槳)[10]
        Fig. 1DC-3 of Douglas Aircraft Companies in the United States (piston engine with propeller)[10]

        DC-3飛機(jī)已經(jīng)具備了現(xiàn)代民航客機(jī)的所有特征,全金屬半硬殼式結(jié)構(gòu)、懸臂梁下單翼、機(jī)翼安裝2臺發(fā)動機(jī)、可收放式起落架以及寬大的近似圓柱形機(jī)身。事實(shí)證明這一設(shè)計非常成功,該機(jī)在20世紀(jì)40年代就已經(jīng)處于世界航空運(yùn)輸業(yè)的壟斷地位。截至二戰(zhàn)結(jié)束,該型飛機(jī)一共生產(chǎn)了13 000多架(包括其軍用型C-47),成為世界上單一機(jī)型產(chǎn)量最多的運(yùn)輸機(jī)[2,10]。

        燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)在20世紀(jì)40年代趨于成熟,而英國最早嘗試將這種發(fā)動機(jī)應(yīng)用于民航客機(jī),相繼研發(fā)了渦輪螺旋槳動力的“子爵”客機(jī)和渦輪噴氣動力的“彗星”客機(jī),2種機(jī)型均在20世紀(jì)50年代初投入商業(yè)運(yùn)營。相比噴氣式客機(jī),渦輪螺旋槳客機(jī)在燃油經(jīng)濟(jì)性方面具有優(yōu)勢,但飛行速度提升有限,運(yùn)輸效率遠(yuǎn)不及噴氣式客機(jī),在大型客機(jī)的競爭中很快被噴氣式客機(jī)所取代,沒有成為現(xiàn)代客機(jī)的主流[2,11]。作為現(xiàn)代客機(jī)的一個分支,渦輪螺旋槳客機(jī)憑借燃油經(jīng)濟(jì)性較好、使用維護(hù)成本低、機(jī)場適應(yīng)性好等特點(diǎn)在支線航空領(lǐng)域占據(jù)一席之地。

        2.2渦噴/渦扇民用飛機(jī)

        世界上第一種噴氣式客機(jī)是由英國德哈維蘭公司生產(chǎn)的“彗星”客機(jī),它于1949年出廠,1952年投入航線運(yùn)營[12],其氣動布局如圖2所示。

        “彗星”客機(jī)配備4臺由羅羅公司生產(chǎn)的渦輪噴氣發(fā)動機(jī),采用后掠機(jī)翼,機(jī)身采用鋁制蒙皮,使用增壓客艙。可以看出,“彗星”客機(jī)基本上繼承了DC-3的氣動布局設(shè)計,將發(fā)動機(jī)安裝在機(jī)翼根部,對噴氣式發(fā)動機(jī)采用了內(nèi)埋設(shè)計。這種安裝方式使得發(fā)動機(jī)的維護(hù)操作困難,對于噴氣式客機(jī)來說是一種不成功的設(shè)計。1954年,投入運(yùn)營不久的“彗星”客機(jī)連續(xù)2次墜毀,給這一機(jī)型造成致命打擊。通過對事故的調(diào)查分析,工業(yè)界對金屬疲勞問題有了新的認(rèn)識,進(jìn)而改進(jìn)了噴氣式客機(jī)增壓客艙的設(shè)計方式[13-14]。但是“彗星”客機(jī)因?yàn)椴粔虺墒斓脑O(shè)計,很快退出了噴氣時代航空運(yùn)輸市場的競爭。

        圖2英國德哈維蘭公司生產(chǎn)的“彗星”客機(jī)[12]
        Fig. 2“Comet” airliner of de Havilland in Britain[12]

        20世紀(jì)50年代發(fā)展的波音707是美國第一種噴氣式客機(jī),也是噴氣時代民航工業(yè)誕生的第一個經(jīng)典機(jī)型,對后續(xù)噴氣式客機(jī)氣動布局設(shè)計具有深遠(yuǎn)影響[15]。與此同時,渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)也開始出現(xiàn)并逐步完善。早期的波音707客機(jī)采用普惠公司JT4A渦輪噴氣發(fā)動機(jī);后續(xù)改進(jìn)型陸續(xù)換裝了普惠公司JT3D渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)。作為波音707系列中采用渦扇發(fā)動機(jī)的加長型,波音707-320B型客機(jī)已經(jīng)將原型機(jī)的商載航程提高了1/3,同時具有很好的燃油經(jīng)濟(jì)性,取得了商業(yè)成功。

        隨著渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)技術(shù)的不斷完善,其在可靠性、推重比、燃油效率等方面相比渦噴發(fā)動機(jī)有了全方位的提升。波音公司在20世紀(jì)60年代推出了翼吊雙發(fā)布局中短程客機(jī)波音737;道格拉斯公司也研制出尾吊雙發(fā)布局的DC-9與之競爭。波音737與MD-82(DC-9派生型)氣動布局對比如圖3所示[16-17]。

        歐洲國家在20世紀(jì)60年代末至70年代初組建了空中客車公司,推出了第一種雙發(fā)中短程寬體客機(jī)A300,并且提出了將雙發(fā)飛機(jī)延程飛行時間限制放寬至90 min的建議。這一建議得到了國際民航組織的認(rèn)可,并逐步在世界范圍內(nèi)推廣,也促使美國適航當(dāng)局逐步放寬了對雙發(fā)飛機(jī)60 min延程飛行時間的限制。隨著適航條例對雙發(fā)飛機(jī)延程飛行限制的放寬,3發(fā)寬體客機(jī)很快失去競爭優(yōu)勢而淡出市場[18]。在中短程單通道客機(jī)的競爭中,尾吊發(fā)動機(jī)布局因?yàn)橹匦淖兓秶?、結(jié)構(gòu)重量較大、發(fā)動機(jī)拆裝維護(hù)難度大等缺點(diǎn),在100座級以上機(jī)型中相比翼吊雙發(fā)布局處于劣勢。在隨后的發(fā)展歷程中,雙發(fā)翼吊布局形式成為民用飛機(jī)氣動布局的主流,催生出了波音737、767、777以及空客A320、A330等多種成功機(jī)型。民用航空工業(yè)激烈的競爭選擇形成了民用飛機(jī)常規(guī)氣動布局形式,使雙發(fā)翼吊布局在常規(guī)氣動布局中成為主流,同時也使多家制造商因?yàn)槟承C(jī)型的失敗而淡出民用航空市場,最終形成了波音和空客雙方對陣的格局。

        圖3波音737與MD-82的氣動布局對比[16-17]
        Fig. 3Aerodynamic configuration comparison between B737 and MD-82[16-17]

        A330是在A300基礎(chǔ)上發(fā)展起來的雙發(fā)寬體客機(jī),它與3發(fā)寬體客機(jī)DC-10的氣動布局對比如圖4所示[19-20]。

        圖4A330與DC-10的氣動布局對比[19-20]
        Fig. 4Aerodynamic configuration comparison between A330 and DC-10[19-20]

        3推動民用飛機(jī)發(fā)展的技術(shù)因素

        從現(xiàn)代民航客機(jī)的發(fā)展歷程可以看出,推動氣動布局設(shè)計發(fā)展的技術(shù)因素主要是航空發(fā)動機(jī)、氣動設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計等3個方面,隨著主動控制技術(shù)在客機(jī)上的成功應(yīng)用,飛行控制技術(shù)也成為影響民機(jī)氣動布局發(fā)展的重要因素。

        3.1航空發(fā)動機(jī)

        發(fā)動機(jī)的布置是飛機(jī)氣動布局設(shè)計的重要方面,同時也直接影響飛機(jī)的最終氣動布局形成。隨著航空推進(jìn)技術(shù)的進(jìn)步,民用飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)從最初的活塞螺旋槳發(fā)動機(jī)進(jìn)入噴氣時代。今天,大型高涵道比渦扇發(fā)動機(jī)已成為民用飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的主流。

        航空活塞螺旋槳發(fā)動機(jī)在20世紀(jì)30年代發(fā)展成熟,出現(xiàn)了以普惠公司“雙黃蜂”為代表的大功率星型風(fēng)冷活塞發(fā)動機(jī),該型發(fā)動機(jī)裝配DC-3飛機(jī),助力DC-3成為活塞動力時代最成功的運(yùn)輸機(jī)型號?;钊l(fā)動機(jī)在二戰(zhàn)期間得到了很好的發(fā)展,雙排星型氣冷與V型水冷成為大功率航空活塞發(fā)動機(jī)的2種典型形式,不同形式的活塞發(fā)動機(jī)也直接影響了當(dāng)時的飛機(jī)氣動布局設(shè)計[2]。

        水冷方式對于提升活塞發(fā)動機(jī)的功率有天然的優(yōu)勢,而且便于使用廢氣渦輪增壓技術(shù);相對于星型布置,V型布置方式具有細(xì)長的外形,更利于減小迎風(fēng)面積和進(jìn)行整流設(shè)計,以降低阻力。這些特點(diǎn)使大功率活塞發(fā)動機(jī)趨向于采用V型水冷形式,但是隨著噴氣式發(fā)動機(jī)這一革命性技術(shù)的出現(xiàn),活塞發(fā)動機(jī)很快退出了客機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的競爭舞臺,僅在通用航空的輕型飛機(jī)市場占據(jù)一席之地。

        民用航空從20世紀(jì)50年代開始正式進(jìn)入噴氣時代,而渦扇發(fā)動機(jī)很快取代了渦噴發(fā)動機(jī),并且成為民航客機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的主流。渦扇發(fā)動機(jī)自身也向著不斷提高涵道比以提升燃油經(jīng)濟(jì)性的方向發(fā)展[21]。圖5給出了噴氣式發(fā)動機(jī)的發(fā)展趨勢[4],可以看出,當(dāng)前的大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)相比早期的渦噴發(fā)動機(jī)在燃油經(jīng)濟(jì)性方面有了很大的提升。

        圖5噴氣式發(fā)動機(jī)的發(fā)展趨勢[4]
        Fig. 5Development trend of jet engines[4]

        渦扇發(fā)動機(jī)涵道比的不斷增大也帶來了風(fēng)扇直徑增大、推進(jìn)系統(tǒng)重量增加、短艙設(shè)計與安裝困難等一系列問題。為了在燃油經(jīng)濟(jì)性以及綜合性能方面取得平衡,發(fā)動機(jī)制造商也在不斷嘗試引入新技術(shù)對傳統(tǒng)噴氣式發(fā)動機(jī)進(jìn)行革新,這些新技術(shù)包括開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)、新一代高涵道比渦扇發(fā)動機(jī)(GEnx系列)以及新型齒輪傳動渦扇發(fā)動機(jī)(PW1000G)等[22-26],如圖6所示。

        圖6發(fā)動機(jī)制造商推出的新型發(fā)動機(jī)方案[22-26]
        Fig. 6New engine designs of engine makers[22-26]

        總的來說,以渦扇發(fā)動機(jī)為基礎(chǔ)的民航推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)步不足以改變業(yè)已形成的客機(jī)氣動布局形式。隨著電動推進(jìn)技術(shù)的不斷進(jìn)步,人們已經(jīng)開始了混合動力系統(tǒng)與電動分布式推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用于民用飛機(jī)的研究,NASA、波音和空客等研究機(jī)構(gòu)分別提出了基于混合/分布式推進(jìn)系統(tǒng)的民用飛機(jī)設(shè)計方案,并且開始了相關(guān)的驗(yàn)證研究[27]。

        3.2氣動設(shè)計

        空氣動力學(xué)是在流體力學(xué)的基礎(chǔ)上成長起來的一個學(xué)科。經(jīng)典流體力學(xué)理論在18~19世紀(jì)開始出現(xiàn)并形成基礎(chǔ);進(jìn)入20世紀(jì)后,隨著航空科技的迅速發(fā)展,空氣動力學(xué)從流體力學(xué)中脫胎而出,成為力學(xué)的一個重要新分支。經(jīng)典空氣動力學(xué)理論在20世紀(jì)初基本完善,為現(xiàn)代航空器的設(shè)計提供了可以實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用的分析方法。風(fēng)洞從20世紀(jì)中葉開始大量建造并被廣泛應(yīng)用于空氣動力學(xué)研究和航空領(lǐng)域的工程設(shè)計;與此同時,隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,計算機(jī)的求解能力與空氣動力學(xué)的數(shù)值計算方法相結(jié)合,催生出了計算流體力學(xué)(CFD)。CFD具備成本低、效率高、應(yīng)用方便等特點(diǎn),50多年以來迅猛發(fā)展,已經(jīng)成為飛機(jī)氣動布局設(shè)計的首要工具[28]。

        長期在NASA蘭利研究中心從事風(fēng)洞試驗(yàn)研究的空氣動力學(xué)家Whitcomb分別于1952年和1967年提出面積律理論和超臨界翼型,隨后又通過風(fēng)洞試驗(yàn)對翼梢小翼的設(shè)計做了大量研究;這些技術(shù)成果直接影響了超聲速與高亞聲速飛機(jī)的氣動外形設(shè)計[29-30]。而CFD分析程序從20世紀(jì)70年代開始成熟,并逐步成為指導(dǎo)飛機(jī)氣動設(shè)計的有效工具。以航空工業(yè)界應(yīng)用非常成功的“flo”和“syn”系列軟件為例,致力于計算空氣動力學(xué)研究的Jameson教授在1970年推出第一個版本,經(jīng)過30多年的發(fā)展,形成了涵蓋全速勢方程、歐拉方程以及Navier-Stokes方程的一系列CFD分析程序,并且成功應(yīng)用于眾多民用飛機(jī)型號的氣動設(shè)計[31-32]。

        NASA在2013年提出了未來15年CFD發(fā)展的路線圖,明確了在高性能計算機(jī)、物理模型、數(shù)值算法以及工程應(yīng)用等方面的技術(shù)路線[33]。路線圖規(guī)劃中指出,未來民機(jī)的氣動布局設(shè)計將更加依賴于CFD分析能力;此外,氣動設(shè)計水平的不斷提升可能會使越來越多的新型布局形式應(yīng)用于民用飛機(jī)。

        3.3結(jié)構(gòu)設(shè)計

        第一次世界大戰(zhàn)促使當(dāng)時航空技術(shù)的快速發(fā)展,飛機(jī)的結(jié)構(gòu)形式和制造工藝也隨之豐富。一戰(zhàn)后,出現(xiàn)了全金屬半硬殼式機(jī)身、懸臂梁機(jī)翼、可收放式起落架等符合現(xiàn)代民用飛機(jī)特征的結(jié)構(gòu)形式;飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計理論和方法也開始發(fā)展,出現(xiàn)了按靜強(qiáng)度準(zhǔn)則的設(shè)計載荷法。隨著飛機(jī)飛行速度的提高,全金屬飛機(jī)成為主流,在結(jié)構(gòu)設(shè)計中也引入了剛度準(zhǔn)則和考慮氣動彈性問題的設(shè)計方法,為大型民用飛機(jī)的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)[34-35]。

        第二次世界大戰(zhàn)之后,噴氣式飛機(jī)迅速發(fā)展,噴氣式客機(jī)也進(jìn)入了航空運(yùn)輸市場。噴氣式客機(jī)發(fā)展的最初幾年內(nèi),連續(xù)出現(xiàn)因金屬疲勞而造成的災(zāi)難性事故。特別是世界上第一種噴氣式客機(jī)“彗星”,在1年內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)2次空中解體事故,造成大量乘客和機(jī)組人員遇難。通過深入的調(diào)查和研究分析,航空工業(yè)界認(rèn)識到金屬結(jié)構(gòu)疲勞問題的嚴(yán)重性,進(jìn)而在結(jié)構(gòu)設(shè)計中引入了防止金屬疲勞的安全壽命設(shè)計理念。隨著飛機(jī)性能和設(shè)計要求的不斷提高,結(jié)構(gòu)設(shè)計中又相繼引入了損傷容限和耐久性設(shè)計,發(fā)展了新的結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計方法[36]。

        民用客機(jī)采用的圓形或近似圓形機(jī)身、圓形或以大半徑圓弧倒角的口蓋與舷窗等特征,都是隨著設(shè)計方法進(jìn)步而演變出現(xiàn)的。與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的進(jìn)步相對應(yīng),結(jié)構(gòu)分析方法也從最初的強(qiáng)度/剛度校核迭代、工程梁簡化分析進(jìn)化到基于數(shù)值計算的有限元分析;隨著計算機(jī)性能不斷提升,結(jié)構(gòu)有限元求解的規(guī)模和精度也得到了很大提高。高性能碳纖維復(fù)合材料以及新型金屬材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件中廣泛采用,對結(jié)構(gòu)設(shè)計方法、準(zhǔn)則以及分析工具等提出了許多新的要求;另一方面,采用新型氣動布局形式的飛機(jī),例如非圓截面機(jī)身增壓艙、帶支撐桿或前后聯(lián)結(jié)的非懸臂梁機(jī)翼等結(jié)構(gòu)特征,也對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料工藝提出了新的挑戰(zhàn)。

        3.4飛行控制

        美國在20世紀(jì)70年代率先在飛機(jī)設(shè)計領(lǐng)域提出了主動控制技術(shù),即在飛機(jī)設(shè)計的初始階段就考慮到飛行控制系統(tǒng)對總體設(shè)計的影響,以充分發(fā)揮飛控系統(tǒng)功能[37]。這一技術(shù)最早應(yīng)用于軍機(jī),使控制增穩(wěn)系統(tǒng)從第三代戰(zhàn)斗機(jī)開始逐步普及,軍機(jī)的本體完全可以按照靜不穩(wěn)定進(jìn)行設(shè)計,極大地提高了飛機(jī)的機(jī)動性。主動控制技術(shù)也使無尾飛翼氣動布局的穩(wěn)定飛行成為可能,并使該布局形式在B-2隱身轟炸機(jī)上得到成功應(yīng)用。

        放寬靜穩(wěn)定度(Relaxed Static Stability, RSS)是主動控制技術(shù)的典型應(yīng)用之一,在20世紀(jì)90年代之后出現(xiàn)的客機(jī)中有部分型號采用了這一技術(shù)??蜋C(jī)采用放寬靜穩(wěn)定度設(shè)計,主要是為了減小配平阻力,從而提高飛機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性[37]。通常情況下,采用RSS技術(shù)的客機(jī)尾翼面積會顯著減小,機(jī)身縮短或機(jī)翼位置前移,如圖7所示[38]。

        圖7民用飛機(jī)采用放寬靜穩(wěn)定度(RSS)設(shè)計的特點(diǎn)[38]
        Fig. 7Design features of civil aircraft with relaxed static stability (RSS)[38]

        采用RSS技術(shù)設(shè)計的飛機(jī)普遍采用電傳操縱系統(tǒng)??罩锌蛙嚬咀钤鐚㈦妭鞑倏v系統(tǒng)應(yīng)用于大型客機(jī),在A320誕生以后發(fā)展的機(jī)型普遍采用了電傳操縱系統(tǒng)和RSS技術(shù);波音公司的767、777、787等客機(jī)也采用了電傳操縱系統(tǒng)和RSS技術(shù)。隨著主動控制和電傳操縱技術(shù)的逐步普及,應(yīng)用RSS技術(shù)已經(jīng)成為先進(jìn)客機(jī)設(shè)計的必然趨勢。

        翼身融合體(Blended Wing-Body, BWB)氣動布局一直是民航工業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn),而BWB要充分發(fā)揮高升阻比的優(yōu)勢必須采用放寬靜穩(wěn)定度設(shè)計,因此需要借助主動控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)BWB客機(jī)的總體設(shè)計。從本質(zhì)上說,BWB布局需要在氣動、操穩(wěn)(包括飛控)一體化設(shè)計技術(shù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)。

        4未來民用飛機(jī)的發(fā)展方向

        在可以預(yù)見的未來,常規(guī)布局客機(jī)仍將主宰民航運(yùn)輸市場,但會不斷采用成熟的新技術(shù)提升性能以適應(yīng)市場發(fā)展的需求。當(dāng)推動民用飛機(jī)發(fā)展的技術(shù)取得突破性進(jìn)展的時候,采用新氣動布局形式的民機(jī)會迅速進(jìn)入市場,有望改變民航運(yùn)輸市場的格局。因此,理清不同氣動布局形式背后起決定作用的技術(shù)因素是判明未來民用飛機(jī)發(fā)展方向的關(guān)鍵。

        4.1采用新技術(shù)的常規(guī)布局客機(jī)

        以常規(guī)布局為基礎(chǔ),采用先進(jìn)技術(shù)提升性能,仍然會是未來較長一段時期內(nèi)民用飛機(jī)發(fā)展的主要方向。這些先進(jìn)技術(shù)主要包括新型發(fā)動機(jī)、氣動減阻、多電/全電機(jī)載系統(tǒng)、先進(jìn)航電系統(tǒng),以及新材料與新型制造工藝等。

        采用新型發(fā)動機(jī)是客機(jī)最常使用的技術(shù)升級方式,對于燃油經(jīng)濟(jì)性、噪聲和排放等方面的性能提升效果也最為直接有效。提高涵道比是渦扇發(fā)動機(jī)更新?lián)Q代的主要方向,同時也意味著發(fā)動機(jī)風(fēng)扇直徑的增大;采用三軸式構(gòu)造或齒輪傳動風(fēng)扇是為了大幅度提高風(fēng)扇效率,同時也增加了結(jié)構(gòu)復(fù)雜度;開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)采用無涵道的外露葉片,外露部分轉(zhuǎn)子的直徑通常大于同級別渦扇發(fā)動機(jī)的外涵道。這些結(jié)構(gòu)上的差別必然導(dǎo)致短艙外形的改變,為飛機(jī)與發(fā)動機(jī)的匹配設(shè)計以及發(fā)動機(jī)的安裝帶來新的挑戰(zhàn),需要綜合考慮氣動外形、機(jī)體結(jié)構(gòu)以及發(fā)動機(jī)短艙構(gòu)造等多個方面。

        氣動減阻技術(shù)一直是運(yùn)輸類飛機(jī)的研究重點(diǎn),加裝翼梢小翼、機(jī)翼與發(fā)動機(jī)短艙安裝導(dǎo)流片等都是常用的減阻改進(jìn)方式,層流機(jī)翼也一直是飛機(jī)減阻技術(shù)的重點(diǎn)研究方向。相對于采用吸氣或吹氣方式的層流控制技術(shù),自然層流技術(shù)沒有附加能量消耗又不需要增加通氣構(gòu)造,通過機(jī)翼外形及蒙皮的精細(xì)化設(shè)計就有可能實(shí)現(xiàn)。

        在常規(guī)布局客機(jī)的市場競爭中,發(fā)動機(jī)尾吊布局輸給了發(fā)動機(jī)翼吊布局,只占據(jù)很小的市場份額。但是,尾吊布局在換裝開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)方面具有天然優(yōu)勢,再加上無短艙吊掛的干凈機(jī)翼有利于實(shí)現(xiàn)自然層流技術(shù),因此,在新一代常規(guī)布局客機(jī)的預(yù)研中,尾吊布局再次受到關(guān)注,多家研究機(jī)構(gòu)都給出了配裝開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的尾吊布局客機(jī)方案[39],如圖8所示。

        減小機(jī)翼后掠角有利于機(jī)翼自然層流的保持,但會影響阻力發(fā)散馬赫數(shù)。有研究表明,通過機(jī)翼上表面鼓包可以有效抑制激波,與增大機(jī)翼后掠角具有同等的效果[40]。有研究機(jī)構(gòu)以此為基礎(chǔ)提出了尾吊開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)、小后掠角自然層流機(jī)翼帶激波控制鼓包的新一代常規(guī)布局民機(jī)設(shè)計方案[41],但是方案要走向工程應(yīng)用還有待于各專項(xiàng)技術(shù)的成熟。

        圖8新一代常規(guī)布局民機(jī)配裝開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)方案[39]
        Fig. 8New-generation normal configuration civil airliner with open rotor engines[39]

        多電/全電技術(shù)是以發(fā)動機(jī)發(fā)電作為機(jī)載系統(tǒng)的能源,取代傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)引氣或驅(qū)動液壓源的能源方式。隨著發(fā)電機(jī)、蓄電池、各類電作動系統(tǒng)的技術(shù)成熟,多電飛機(jī)已經(jīng)成功進(jìn)入市場。隨著各類電力機(jī)載系統(tǒng)的進(jìn)一步完善,以電力作為機(jī)載系統(tǒng)的二次能源將成為必然趨勢,全電客機(jī)也將成為現(xiàn)實(shí)[42]。

        此外,航空電子系統(tǒng)、先進(jìn)復(fù)合材料、先進(jìn)制造工藝等多個領(lǐng)域的研究成果越來越多地應(yīng)用到民用飛機(jī)中,這些先進(jìn)技術(shù)全面提升了常規(guī)布局民機(jī)的性能,支持著常規(guī)布局民用飛機(jī)在未來很長一段時期內(nèi)主宰民航市場。

        4.2采用新型氣動布局的高亞聲速民機(jī)

        BWB一直都是非常規(guī)氣動布局運(yùn)輸機(jī)設(shè)計最為關(guān)注的布局形式之一(如圖9所示)[43-44],具有氣動效率高、結(jié)構(gòu)效率高、內(nèi)部空間大等優(yōu)點(diǎn),但同時也在操穩(wěn)特性、飛行控制、非圓截面增壓艙結(jié)構(gòu)設(shè)計、適航性(主要是翼展和應(yīng)急撤離)、舒適性以及系列化發(fā)展等方面存在難題,其中操穩(wěn)與飛控設(shè)計是BWB布局能否成功應(yīng)用于民機(jī)的決定因素[44-45]。

        要充分發(fā)揮BWB布局的巡航氣動效率,就要放寬其本體靜穩(wěn)定性,而要保證客機(jī)的飛行安全又要求在自動飛控系統(tǒng)失效的情況下具備一定的靜穩(wěn)定裕度。準(zhǔn)確運(yùn)用氣動、操穩(wěn)、飛控一體化設(shè)計技術(shù),在保證飛行安全的前提下充分發(fā)揮特有的氣動效率優(yōu)勢,是BWB布局客機(jī)能夠成功的關(guān)鍵。

        升力體機(jī)身(Double Bubble, 又稱雙氣泡)布局是一種介于常規(guī)布局與翼身融合布局之間的過渡形式,它是將常規(guī)的細(xì)長型近似圓柱體機(jī)身按展向放寬至大約2個圓形截面的寬度(如圖10所示)[43-44]。一方面,加寬的機(jī)體可以產(chǎn)生一部分升力,提高巡航氣動效率;另一方面,機(jī)身在縱向沒有縮短,仍然可以安裝垂平尾,保證了與常規(guī)布局相近的操穩(wěn)特性。而且,機(jī)身的增壓艙仍然可以按照圓形截面來完成結(jié)構(gòu)設(shè)計,客艙布置難度降低,也易于滿足應(yīng)急撤離的適航要求。該布局形式的主要問題是機(jī)身在產(chǎn)生升力的同時會產(chǎn)生波阻,因此,如何提高升力體機(jī)身的阻力發(fā)散馬赫數(shù)是這種布局設(shè)計的難點(diǎn)。

        圖9翼身融合體(BWB)布局民機(jī)概念方案[43]
        Fig. 9Airliner conceptual design of blended wing-boby (BWB) configuration[43]

        圖10升力體機(jī)身布局民機(jī)概念方案[43]
        Fig. 10Airliner conceptual design of double bubble
        configuration[43]

        運(yùn)輸類飛機(jī)追求巡航效率。巡航效率可以表述為巡航速度與升阻比的乘積,它反映了飛機(jī)的航程能力。增大展弦比、降低誘導(dǎo)阻力是提高運(yùn)輸類飛機(jī)巡航升阻比的一條有效途徑,而對于懸臂梁機(jī)翼來說,增大展弦比的同時保證一定剛度會付出很大的結(jié)構(gòu)重量代價。支撐翼(Truss- Braced Wing)形式是在機(jī)翼下方通過斜撐桿與機(jī)身相連(如圖11所示[43]),使機(jī)翼的結(jié)構(gòu)形式由懸臂梁轉(zhuǎn)變?yōu)橥馍炝海ㄟ^斜撐桿提高了整個機(jī)翼的結(jié)構(gòu)剛度,有效控制了機(jī)翼結(jié)構(gòu)重量的增加[46-47]。支撐翼布局是對大展弦比機(jī)翼結(jié)構(gòu)的一種補(bǔ)充,改善剛度的效果有限,且機(jī)翼展長的增加受到機(jī)場適應(yīng)性與適航方面的限制,這些因素限制了支撐翼布局的應(yīng)用范圍。

        圖11支撐翼氣動布局民機(jī)概念方案[43]
        Fig. 11Airliner conceptual design of braced wing
        configuration[43]

        聯(lián)結(jié)翼(Joined-wing)布局又稱盒式翼(Box-wing)布局(如圖12所示[48]),它是一種通過前后機(jī)翼聯(lián)結(jié)來改善機(jī)翼結(jié)構(gòu)剛度的氣動布局形式,不但增大了機(jī)翼的有效展弦比,而且以前后翼相聯(lián)結(jié)來構(gòu)成一個封閉盒段的方式提高機(jī)翼整體的結(jié)構(gòu)剛度,在巡航效率與結(jié)構(gòu)重量之間取得較好的平衡[48-49]。從本質(zhì)上說,聯(lián)結(jié)翼布局是氣動結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計的產(chǎn)物,對氣動設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計的技術(shù)水平都有較高要求。

        圖12聯(lián)結(jié)翼氣動布局民機(jī)概念方案[48]
        Fig. 12Airliner conceptual design of joined-wing
        configuration[48]

        4.3采用混合/分布式動力系統(tǒng)的民機(jī)

        在低碳節(jié)能的大趨勢下,電動推進(jìn)技術(shù)逐漸走向成熟,混合動力系統(tǒng)與分布式電推進(jìn)動力系統(tǒng)出現(xiàn)在新一代民機(jī)的概念設(shè)計中?;旌蟿恿ο到y(tǒng)是將渦輪發(fā)動機(jī)的大部分能量轉(zhuǎn)換為電能,再由電力驅(qū)動風(fēng)扇(或螺旋槳)產(chǎn)生推進(jìn)力。它的優(yōu)點(diǎn)是,減小了渦輪核心機(jī)的尺寸和重量,使渦輪核心機(jī)長時間運(yùn)行在最高效率的設(shè)計點(diǎn)附近,使得由電機(jī)驅(qū)動的風(fēng)扇高效率運(yùn)轉(zhuǎn),整個動力系統(tǒng)可以在不增加風(fēng)扇直徑的前提下進(jìn)一步提高涵道比。這些優(yōu)點(diǎn)使得混合動力系統(tǒng)具有很高的燃油經(jīng)濟(jì)性??湛团c羅羅公司聯(lián)合提出一種采用混合動力系統(tǒng)的客機(jī)概念方案“E-Thrust”(如圖13所示[50]),它是由位于尾部的主渦輪發(fā)動機(jī)帶動位于翼根上側(cè)的電動涵道式風(fēng)扇構(gòu)成混合動力系統(tǒng)。

        圖13采用混合動力系統(tǒng)的客機(jī)概念方案[50]
        Fig. 13Airliner conceptual design with hybrid propulsion system[50]

        在混合動力系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,減小風(fēng)扇推進(jìn)器的尺寸并增加其數(shù)量,形成分布式動力系統(tǒng),可以進(jìn)一步提高動力系統(tǒng)的綜合效率,提高燃油經(jīng)濟(jì)性,也可以為動力增升與輔助控制提供驅(qū)動力,是一種更具發(fā)展前景的先進(jìn)推進(jìn)技術(shù)。有研究表明,分布式推進(jìn)與翼身融合布局相結(jié)合,可以充分發(fā)揮翼身融合的優(yōu)勢,得到更高的綜合收益[27,51]。圖14為NASA提出的一種分布式推進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于BWB客機(jī)的概念方案[51]。

        圖14NASA提出的分布式動力翼身融合布局客機(jī)概念方案[51]
        Fig. 14Airliner conceptual design of BWB configuration with distributed propulsion system proposed by NASA[51]

        電動機(jī)的效率、體積、重量和散熱等方面的問題是混合/分布式動力系統(tǒng)面臨的首要限制條件;電力傳輸效率也是影響混合/分布式動力系統(tǒng)綜合收益的關(guān)鍵因素?;旌?分布式動力系統(tǒng)的成熟仍然有待于電力驅(qū)動技術(shù)水平的進(jìn)一步提高。

        4.4超聲速客機(jī)

        對速度的追求一直是航空工程的一個重要方向,民用飛機(jī)也不例外,超聲速客機(jī)是未來客機(jī)發(fā)展的重要方向。唯一投入航線運(yùn)營的超聲速客機(jī)“協(xié)和”在2003年全部退役,目前世界范圍內(nèi)的超聲速客運(yùn)處于空白期[52]。超聲速客機(jī)的巡航馬赫數(shù)可以達(dá)到2左右,以“協(xié)和”客機(jī)為例,從倫敦飛到紐約僅需要不到3 h,相比一般的高亞聲速客機(jī)縮短了一半以上時間。為滿足超聲速飛行的需求,“協(xié)和”采用大長細(xì)比的機(jī)身,載客量低;而且耗油率高,運(yùn)營成本高,此外還存在超聲速聲爆問題。這些問題使“協(xié)和”客機(jī)在實(shí)際運(yùn)營中受到了很多限制。在新一代超聲速客機(jī)的研發(fā)中,燃油經(jīng)濟(jì)性與超聲速聲爆仍然是決定其能否成功運(yùn)營的技術(shù)難點(diǎn)。

        工業(yè)界一直沒有停止針對超聲速客機(jī)的預(yù)研和技術(shù)儲備,最近幾年也提出了一些超聲速公務(wù)機(jī)和超聲速客機(jī)的概念方案。相對來說,超聲速公務(wù)機(jī)更容易利用現(xiàn)有技術(shù)得到滿足需求的解決方案。圖15為灣流公司提出的超聲速公務(wù)機(jī)概念方案,計劃采用變后掠翼實(shí)現(xiàn)高低速飛行狀態(tài)的協(xié)調(diào),采用超長的機(jī)頭錐分解激波抑制聲爆,同時還論證了使用變循環(huán)發(fā)動機(jī)的可行性[53]。

        圖15灣流公司 “安靜超聲速噴氣機(jī)”(QSJ)方案[53]
        Fig. 15“Quiet supersonic jet” (QSJ) design of
        Gulfstream[53]

        波音公司早在20世紀(jì)60年代就是超聲速客機(jī)發(fā)展的支持者,參與NASA的超聲速客機(jī)預(yù)研項(xiàng)目并在競爭中勝出,立項(xiàng)研制“2707型”超聲速客機(jī)作為在民航市場取代波音747的主力機(jī)型,但由于耗資巨大又看不到商業(yè)前景,項(xiàng)目被迫終止,波音747反而成為迄今最為成功的大型遠(yuǎn)程寬體客機(jī)[54]。NASA在20世紀(jì)90年代再度提出高速商用運(yùn)輸機(jī)(HSCT)計劃,波音公司也是其中的主要參與者,給出了研究規(guī)劃和概念方案,但該項(xiàng)目于1999年取消,波音的超聲速客機(jī)設(shè)計方案再一次無疾而終。

        在NASA的先進(jìn)民機(jī)中長期規(guī)劃中,超聲速客機(jī)再一次被列入,各大民機(jī)制造商都推出了自己在不同發(fā)展階段的概念方案。波音公司分別提出了100座級的765-072B方案和30座級的765-076E(如圖16所示)方案[55]。

        圖16波音公司765-076E超聲速客機(jī)方案[55]
        Fig. 16765-076E supersonic jet design of Boeing[55]

        洛馬公司在L1011項(xiàng)目失敗之后退出了民用飛機(jī)市場的競爭,但一直在等待新的機(jī)會出現(xiàn),最近也積極參與了NASA的先進(jìn)民機(jī)發(fā)展計劃。在高亞聲速民機(jī)方向提出了聯(lián)結(jié)翼布局方案;在超聲速客機(jī)方向,提出了不同發(fā)展階段的概念方案[56]。

        圖17給出了洛馬公司的100座級先進(jìn)超聲速客機(jī)方案,及其與“協(xié)和”客機(jī)的外形對比[52, 56]。可以看出,新一代超聲速客機(jī)的概念方案與第一代超聲速客機(jī)外形相比變化很大,反映了航空工業(yè)界在音爆抑制、氣動設(shè)計以及超聲速推進(jìn)技術(shù)等方面的最新研究成果。

        圖17洛馬公司超聲速客機(jī)方案(與“協(xié)和”對比)[52, 56]
        Fig. 17Supersonic jet design of Lockheed (versus “Concorde”)[52, 56]

        可以看出,在新一輪的超聲速客機(jī)發(fā)展規(guī)劃中,各大制造商均采用先易后難的發(fā)展策略,逐步運(yùn)用已經(jīng)成熟和預(yù)期很快成熟的技術(shù)來達(dá)成目標(biāo)。其中,機(jī)頭長錐音爆抑制技術(shù)被普遍采用,變循環(huán)發(fā)動機(jī)被明確列入需求,箭形機(jī)翼設(shè)計成為先進(jìn)超聲速民機(jī)概念方案的共同特點(diǎn)。

        5民機(jī)發(fā)展對總體設(shè)計的需求和挑戰(zhàn)

        除了安全性、經(jīng)濟(jì)性之外,未來民機(jī)的舒適性和環(huán)保性日益受到人們的重視。隨著全球范圍對環(huán)境問題的關(guān)注,綠色航空概念為世界航空業(yè)所接受,環(huán)保性要求成為限制新一代民用飛機(jī)運(yùn)營的門檻。在民用飛機(jī)預(yù)研體系中,越來越多的新技術(shù)被引入,以應(yīng)對日益嚴(yán)苛的設(shè)計要求挑戰(zhàn)。飛機(jī)設(shè)計本身是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,具有典型的多學(xué)科集成特征。飛機(jī)總體設(shè)計技術(shù)是綜合集成各學(xué)科專項(xiàng)技術(shù),滿足設(shè)計目標(biāo)與要求,實(shí)現(xiàn)方案工程化設(shè)計的方法論。通過對總體設(shè)計技術(shù)的研究,一方面可以判定各專項(xiàng)技術(shù)在總體方案上應(yīng)用的綜合收益,為各學(xué)科的研究明確目標(biāo)和方向;另一方面可以提供適合于專項(xiàng)新技術(shù)應(yīng)用的設(shè)計方案,為充分應(yīng)用各學(xué)科最新研究成果提高方案總體性能創(chuàng)造條件。

        5.1新技術(shù)條件下民機(jī)總體設(shè)計需求

        針對未來民用飛機(jī),NASA提出了面向2020—2030年的中長期規(guī)劃,明確了未來民機(jī)的性能指標(biāo)[44,48,57]。其中“N+2代”民機(jī)(預(yù)計2020—2025年服役)最引人注目,其噪聲相對第4階段標(biāo)準(zhǔn)降低42 dB,NOx減排75%,油耗相當(dāng)于波音777的50%。針對這一目標(biāo),NASA推動了“環(huán)保飛機(jī)”(Environmentally Responsible Aviation, ERA)計劃,波音、洛馬等制造商分別提出了各自的概念方案。后續(xù)發(fā)展規(guī)劃中,NASA對“N+3”代飛機(jī)(預(yù)計2030—2035年服役)提出了更加嚴(yán)苛的指標(biāo)要求,噪聲相對降低71 dB,NOx減排超過75%,油耗要求相當(dāng)于波音777的30%。歐洲航空研究咨詢委員會(ACARE)也提出了2020年民機(jī)的環(huán)保指標(biāo),計劃比2000年噪聲水平降低50%、NOx排放降低80%、CO2排放降低50%。針對這一目標(biāo),歐盟在其第7框架研究計劃中推出了“潔凈天空”(Clean Sky)計劃,其中明確了6個專項(xiàng)研究領(lǐng)域[58];在此基礎(chǔ)上還進(jìn)一步追加投入,繼續(xù)開展面向2050年的第2期計劃“潔凈天空”2(Clean Sky 2)。

        面對上述需求,未來民機(jī)設(shè)計必須綜合集成各學(xué)科專項(xiàng)技術(shù)的最新研究成果,才有可能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性方面的目標(biāo)。無論是新技術(shù)還是新型氣動布局的應(yīng)用,都對未來民機(jī)的總體設(shè)計技術(shù)提出了更高的要求[59]。首先,需要具備面向新技術(shù)及新型氣動布局的各學(xué)科分析模型,由于缺少經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)與方法的支持,分析模型要以數(shù)值分析方法為基礎(chǔ)構(gòu)建;其次,需要有適合大規(guī)模數(shù)值分析求解與綜合集成優(yōu)化的計算機(jī)協(xié)同處理技術(shù),可以針對不同類型的飛機(jī)總體設(shè)計任務(wù)構(gòu)建合適的分析、設(shè)計與優(yōu)化流程;第三,需要將飛機(jī)設(shè)計流程與項(xiàng)目管理流程相結(jié)合,在滿足方案設(shè)計要求的同時為型號預(yù)研與技術(shù)預(yù)研提供數(shù)據(jù)分析支持。

        5.2計算機(jī)輔助飛機(jī)設(shè)計與多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化

        現(xiàn)代飛機(jī)總體設(shè)計技術(shù)已經(jīng)與計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)充分結(jié)合,將飛機(jī)設(shè)計的主要流程和分析都通過計算機(jī)程序化實(shí)現(xiàn)。計算機(jī)輔助飛機(jī)設(shè)計技術(shù)在20個世紀(jì)60年代末到70年代初出現(xiàn),發(fā)達(dá)國家的航空工業(yè)界在多年設(shè)計經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)積累的基礎(chǔ)上開展研究,結(jié)合飛機(jī)型號設(shè)計任務(wù)在工程實(shí)踐中加以應(yīng)用,取得了一定的成效。20世紀(jì)90年代后,各大航空工業(yè)集團(tuán)吸收整合了一系列核心科研成果和技術(shù),相繼建立起比較完善的飛機(jī)綜合設(shè)計系統(tǒng)和信息技術(shù)架構(gòu),大幅提高了自身的科研實(shí)力和技術(shù)水平。進(jìn)入21世紀(jì),飛機(jī)設(shè)計和計算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域涌現(xiàn)出很多新的研究成果,推動了相關(guān)高校和研究單位繼續(xù)在計算機(jī)輔助飛機(jī)設(shè)計領(lǐng)域開展研究,提出了一些新的研究內(nèi)容和技術(shù)框架[60-63]。

        早期的飛機(jī)設(shè)計CAD系統(tǒng)通常包括圖形工具、分析程序和數(shù)據(jù)庫3部分。隨著數(shù)值分析技術(shù)的進(jìn)步,現(xiàn)代的飛機(jī)設(shè)計CAD系統(tǒng)又引入了參數(shù)優(yōu)化和數(shù)值仿真等功能;學(xué)科分析模型的類型有所增加,分析精度也不斷提高[64-65]。另一方面,在計算機(jī)專業(yè)領(lǐng)域,高性能工作站、并行處理、分布式集成以及網(wǎng)絡(luò)化等技術(shù)迅速發(fā)展,為飛機(jī)設(shè)計中各學(xué)科的數(shù)值分析、數(shù)據(jù)交換和集成優(yōu)化提供了基礎(chǔ)。在此背景下,美國AIAA于20世紀(jì)90年代初正式提出了多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化(Multidisciplinary Design Optimization, MDO)這一研究領(lǐng)域,它是通過探索和利用系統(tǒng)中相互作用的協(xié)同機(jī)制來設(shè)計復(fù)雜系統(tǒng)的方法論。MDO在飛機(jī)設(shè)計中應(yīng)用是計算機(jī)輔助飛機(jī)設(shè)計技術(shù)在內(nèi)容上的擴(kuò)展和延伸,同時也對技術(shù)的應(yīng)用提出了更高的要求[66-67]。

        基于MDO的飛機(jī)總體設(shè)計技術(shù)是以各學(xué)科數(shù)值分析模型為基礎(chǔ),借助計算機(jī)數(shù)值計算與數(shù)據(jù)處理的協(xié)同技術(shù),將各學(xué)科的分析流程有機(jī)集成在一起,實(shí)現(xiàn)方案的多輪迭代優(yōu)化設(shè)計。它以數(shù)值分析代替?zhèn)鹘y(tǒng)計算機(jī)輔助參數(shù)化設(shè)計中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)、工程估算或經(jīng)驗(yàn)公式等方法,提高了計算精度和可信度,適用于新概念飛機(jī)以及采用新技術(shù)的飛機(jī)。同時,MDO框架有利于各專業(yè)學(xué)科的設(shè)計人員更新分析模塊,也有利于總體設(shè)計人員針對不同類型飛機(jī)或不同層次設(shè)計任務(wù)靈活地變更設(shè)計流程。經(jīng)過多年的發(fā)展,基于MDO的飛機(jī)總體設(shè)計技術(shù)已經(jīng)在航空工業(yè)界受到普遍關(guān)注,國內(nèi)外相關(guān)研究單位也競相開展MDO平臺的開發(fā)工作。波音、空客等主要民機(jī)制造商也在嘗試將MDO技術(shù)引入客機(jī)的設(shè)計過程[68]??梢灶A(yù)見,MDO技術(shù)必將成為民用飛機(jī)總體設(shè)計的重要方法和工具。

        飛機(jī)多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化逐漸發(fā)展成為集設(shè)計、分析、優(yōu)化、學(xué)科集成、數(shù)據(jù)和項(xiàng)目管理等功能為一體的綜合應(yīng)用技術(shù)。飛機(jī)設(shè)計領(lǐng)域的計算機(jī)技術(shù)趨向于網(wǎng)絡(luò)化、智能化、一體化和系列化,專業(yè)劃分更加細(xì)致明確[69]。新技術(shù)條件下構(gòu)建飛機(jī)多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化系統(tǒng)的工作需要航空工業(yè)單位、科研院所、IT技術(shù)公司和高等院校廣泛合作才能更好地完成,這樣可以體現(xiàn)出各部門的專業(yè)特色,充分發(fā)揮它們在型號研制、技術(shù)開發(fā)和理論研究等方面的作用。

        由此可見,隨著飛機(jī)設(shè)計技術(shù)與計算機(jī)輔助工程的不斷進(jìn)步,傳統(tǒng)計算機(jī)輔助飛機(jī)設(shè)計已經(jīng)發(fā)展成為大系統(tǒng)集成框架下的MDO技術(shù)[70-71]。而基于MDO的飛機(jī)設(shè)計技術(shù)是應(yīng)對未來民機(jī)總體設(shè)計需求與挑戰(zhàn)的一條有效途徑,成為面向未來民機(jī)總體設(shè)計技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。

        6總結(jié)

        從民用飛機(jī)的發(fā)展歷史可以看出,航空發(fā)動機(jī)、氣動設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及飛行控制等方面的技術(shù)進(jìn)步是推動民用飛機(jī)氣動布局形成和演變的決定因素。未來民用飛機(jī)的發(fā)展也離不開各方面基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展成熟。充分運(yùn)用總體設(shè)計技術(shù),從飛機(jī)總體方案的角度分析各個學(xué)科技術(shù)對總體方案最終形成的影響,可以理清決定總體方案最終形成的技術(shù)因素。

        在新一代民用飛機(jī)的預(yù)研中,充分發(fā)揮總體分析的作用,深入研究各類氣動布局中起決定性作用的技術(shù)因素,才能明確不同氣動布局發(fā)展所需的技術(shù)條件和面臨的技術(shù)風(fēng)險,從而準(zhǔn)確把握先進(jìn)民機(jī)氣動布局的發(fā)展脈絡(luò),為新一代民機(jī)的預(yù)研做好技術(shù)支撐。

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        張帥男, 博士。主要研究方向: 飛機(jī)總體設(shè)計, 多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化。

        Tel: 010-57808171

        E-mail: zhangshuai@nuaa.edu.cn

        夏明男, 博士, 工程師。主要研究方向: 飛機(jī)總體設(shè)計, 計算空氣動力學(xué)。

        Tel: 010-57808804

        E-mail: xiaming@comac.cc

        鐘伯文男, 博士, 研究員。主要研究方向: 飛機(jī)總體設(shè)計, 計算空氣動力學(xué)。

        Tel: 010-57808802

        E-mail: zhongbowen@comac.cc

        Received: 2015-10-20; Revised: 2015-11-10; Accepted: 2015-11-17; Published online: 2015-11-2613:51

        URL: www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20151126.1351.008.html

        Evolution and technical factors influencing civil aircraft aerodynamic configuration

        ZHANG Shuai1, 2, XIA Ming1, ZHONG Bowen1, *

        1. Department of Aircraft Configuration Studies, Beijing Aeronautical Science & Technology Research Institute of COMAC, Beijing102211, China2. College of Aerospace Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing210016, China

        Abstract:Technology is a basic impetus on the development and evolution of the civil aircraft aerodynamic configuration. In order to study the development directions, technical requirements and strategies for the future civil aircraft, this paper reviews the development of civil aircraft aerodynamic configuration and then summarizes four technical factors, i.e., aeroengine, aerodynamic design, structural design and flight control, which have important influence on the formation and evolution of the modern civil aircraft aerodynamic configuration. The role of these technical factors in the development of the civil aircraft aerodynamic configuration has also been revealed. Considering the new requirements for the future air transportation, this paper points out the main developing directions of the future civil aircraft, and emphatically analyzes the aerodynamic configurations such as blended wing-body, double bubble body, braced-wing and joined-wing, which might be used in the future unconventional civil aircraft. Furthermore, the challenge in technology development, as well as the technology strategies for the future civil aircraft conceptual design, has been discussed. Finally, the paper clarifies that the multidisciplinary design optimization is an effective method for the future civil aircraft conceptual design.

        Key words:air transportation; civil aircraft; aerodynamic configuration; conceptual design; technical factors

        *Corresponding author. Tel.: 010-57808802E-mail: zhongbowen@comac.cc

        作者簡介:

        中圖分類號:V221

        文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

        文章編號:1000-6893(2016)01-0030-15

        DOI:10.7527/S1000-6893.2015.0311

        *通訊作者.Tel.: 010-57808802E-mail: zhongbowen@comac.cc

        收稿日期:2015-10-20; 退修日期: 2015-11-10; 錄用日期: 2015-11-17; 網(wǎng)絡(luò)出版時間: 2015-11-2613:51

        網(wǎng)絡(luò)出版地址: www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20151126.1351.008.html

        引用格式: 張帥, 夏明, 鐘伯文. 民用飛機(jī)氣動布局發(fā)展演變及其技術(shù)影響因素[J]. 航空學(xué)報, 2016, 37(1): 30-44. ZHANG S, XIA M, ZHONG B W. Evolution and technical factors influencing civil aircraft aerodynamic configuration[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2016, 37(1): 30-44.

        http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn

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