劉振敏

由于受到新冠肺炎疫情的影響，全球四大航展之一的2020年新加坡航展顯得有些冷清，但空客憑借一款頗具科幻感的“游俠”驗(yàn)證機(jī)讓業(yè)界似乎又看到了未來商用飛機(jī)的樣子。一時(shí)間，關(guān)于翼身融合技術(shù)的探討又熱鬧了起來。

技術(shù)探索成果豐盛

近30年來，氣動(dòng)布局技術(shù)研究一直極為活躍，各種新概念氣動(dòng)布局大量涌現(xiàn)，并全面推動(dòng)著商用飛機(jī)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。目前，業(yè)界主要聚焦于翼身融合（BWB）、雙氣泡機(jī)身、桁架支撐翼、連接翼等幾種新概念布局，并陸續(xù)進(jìn)入技術(shù)驗(yàn)證階段。因此，預(yù)計(jì)2030年前后，商用飛機(jī)將迎來新的技術(shù)跨越，新布局的亞聲速飛機(jī)或?qū)柺馈?/p>

在所有的新概念氣動(dòng)布局中，翼身融合構(gòu)型最為業(yè)界看好。所謂翼身融合布局是指機(jī)翼和機(jī)身高度融合的全升力面飛機(jī)外形。在相同裝載要求下，翼身融合設(shè)計(jì)能夠降低全機(jī)浸潤(rùn)面積，從而減小摩擦阻力，與傳統(tǒng)的“筒狀機(jī)身+機(jī)翼”布局相比，翼身融合布局的飛機(jī)巡航效率可提高15%～20%（相對(duì)于787和A350），并具有降低噪聲、排放和結(jié)構(gòu)重量等潛力。

對(duì)于翼身融合布局的設(shè)想，最早是由麥道公司在1988年提出的，隨后歐美很多企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)都進(jìn)行了相關(guān)的研究，但大部分成果被主要應(yīng)用于軍用航空產(chǎn)品，例如美國的B2轟炸機(jī)就是一款典型的翼身融合布局的飛機(jī)。

相比之下，在商用飛機(jī)領(lǐng)域，翼身融合技術(shù)的發(fā)展較為緩慢。當(dāng)然，這似乎也無可厚非。盡管翼身融合技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)于商用飛機(jī)來說，采用這一設(shè)計(jì)需要解決很多問題。

首當(dāng)其沖的就是安全問題，相比現(xiàn)在的飛機(jī)布局，飛行員操控翼身融合設(shè)計(jì)的飛機(jī)將面臨巨大的挑戰(zhàn)，無論是飛控系統(tǒng)還是駕駛模式，都必須加以調(diào)整。

其次，民航飛機(jī)都為增壓機(jī)艙，相比現(xiàn)在的圓筒式機(jī)身分散壓力，翼身融合概念還要解決結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的問題，以規(guī)避飛行過程中發(fā)生解體的風(fēng)險(xiǎn)。

第三，全新的設(shè)計(jì)對(duì)于現(xiàn)有的民航安全法規(guī)也提出了新的挑戰(zhàn)。如何保證采用翼身融合技術(shù)的飛機(jī)滿足適航要求，可能要比技術(shù)研發(fā)本身難得多。

盡管需要解決的問題還很多，但是這并不能阻擋制造商和科研機(jī)構(gòu)的研發(fā)熱情。尤其是，近年來隨著人們環(huán)保意識(shí)的提高以及業(yè)界越來越苛刻的碳排放要求，飛機(jī)制造商們正在重新審視商用飛機(jī)的設(shè)計(jì)。為了制造更環(huán)保的客機(jī)，無論是制造企業(yè)還是科研機(jī)構(gòu)都認(rèn)為，翼身融合布局不失為一個(gè)極具潛力和可行性的選擇。

2019年，荷蘭皇家航空公司（KLM）就表示已與代爾夫特理工大學(xué)合作開發(fā)“Flying-V”翼身融合體飛機(jī)。幾年前，NASA也提出了N3-X概念，探索BWB布局全渦輪電分布式推進(jìn)系統(tǒng)帶來的收益。此外，NASA也正在著手采用BWB布局來設(shè)計(jì)生產(chǎn)下一代亞聲速X驗(yàn)證機(jī)。

在我國，航空科技工作者早已關(guān)注到了這一重要發(fā)展趨勢(shì)，從2000年初就開展了關(guān)于BWB布局的商用飛機(jī)的探索，中國商飛、中航工業(yè)、西工大、北航等企業(yè)和高校都開展了大量的研究，在BWB布局氣動(dòng)性能、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、飛控、適航等方面獲得了許多成果。其中，西工大團(tuán)隊(duì)為發(fā)展下一代寬體民機(jī)開展了BWB布局概念探索，提出了先進(jìn)的BWB布局設(shè)計(jì)思想，形成了有工程應(yīng)用前景的方案并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，探索解決高速飛行與低速起降性能協(xié)調(diào)、客艙舒適性與應(yīng)急疏散兼容、增升與配平能力匹配等核心技術(shù)難題。

如今，隨著BWB布局的不斷發(fā)展，一些關(guān)鍵技術(shù)基本明確并取得重大研究成果，應(yīng)用對(duì)象也隨之清晰。最新研究表明，未來BWB布局應(yīng)用或?qū)⒉辉倬窒抻?50座級(jí)以上的大型商用飛機(jī)，還可擴(kuò)展到100～150座級(jí)的單通道客機(jī)和高端公務(wù)機(jī)領(lǐng)域。

“游俠”現(xiàn)身吸眼球

在此次新加坡航展上，空客向公眾展示的“游俠”驗(yàn)證機(jī)項(xiàng)目（MAVERIC，用于試驗(yàn)和驗(yàn)證魯棒創(chuàng)新控制的飛機(jī)模型），機(jī)身長(zhǎng)2米，寬3.2米，表面積約2.25平方米，布局設(shè)計(jì)極具顛覆性。空客方面表示，采用該設(shè)計(jì)的飛機(jī)與現(xiàn)有的單通道飛機(jī)相比，預(yù)計(jì)燃油消耗可降低20%。

MAVERIC是空客內(nèi)部的保密項(xiàng)目，2017年啟動(dòng)，2019年6月在法國中部完成首飛，空客重點(diǎn)探索了BWB飛機(jī)所需的先進(jìn)電傳操縱技術(shù)。此后，飛行測(cè)試活動(dòng)一直在進(jìn)行，并將持續(xù)到2020年第二季度末。

在首飛之前，此款驗(yàn)證機(jī)還在空客位于英國菲爾頓的基地進(jìn)行了相關(guān)的風(fēng)洞試驗(yàn)，驗(yàn)證了MAVERIC驗(yàn)證機(jī)的氣動(dòng)特性，這將有助于更好地識(shí)別和分析關(guān)鍵技術(shù)，評(píng)估飛機(jī)低速和失速特性?？湛捅硎?，未來驗(yàn)證機(jī)的測(cè)試還將繼續(xù)圍繞飛行品質(zhì)、飛行控制、多目標(biāo)操縱面和模塊化等方面進(jìn)行。

盡管對(duì)于“游俠”驗(yàn)證機(jī)，空客方面并沒有透露太多的技術(shù)信息，但是從已經(jīng)公開亮相的驗(yàn)證機(jī)外形中似乎也能看出一些門道。

MAVERIC驗(yàn)證機(jī)寬敞的布局為設(shè)計(jì)師打開了更為廣闊的設(shè)計(jì)空間，可以集成各種類型的推進(jìn)系統(tǒng)。與波音X-48C相似，該機(jī)采用了背負(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)和雙垂尾，機(jī)身對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲向下方傳播有一定的遮蔽作用，雙垂尾則提高了飛機(jī)航向穩(wěn)定和控制能力。與X-48C不同的是，該機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在垂尾底部，這樣可能有利于減小垂尾面積，但對(duì)側(cè)向噪聲的屏蔽作用會(huì)有所減弱，同時(shí)還會(huì)因發(fā)動(dòng)機(jī)和垂尾結(jié)構(gòu)的連接而使得重量和復(fù)雜度增加。

乘客體驗(yàn)方面，從空客公布的客艙圖可見，如果未來商用飛機(jī)采用這種客艙布局的話，則完全打破了傳統(tǒng)單通道飛機(jī)乘坐體驗(yàn)，乘客能夠享受更大的腿部空間和更寬敞的過道，同時(shí)客艙的布局也充滿了科技感。

當(dāng)然，也有業(yè)內(nèi)人士指出，如果只是把旅客集中在翼身融合飛機(jī)的中間部分，那么剩下的一些空間該如何合理使用將是一個(gè)需要進(jìn)一步探索的問題，否則所謂的提高飛行效率的優(yōu)勢(shì)或?qū)⒉粡?fù)存在，畢竟這樣的布局對(duì)于航空公司來說，如何增加座位數(shù)將成為一個(gè)難題。

技術(shù)挑戰(zhàn)還很多

盡管空客此次展示的驗(yàn)證機(jī)十分炫目，并且也沒有人會(huì)質(zhì)疑翼身融合布局的飛機(jī)在燃油消耗、排放及噪聲等方面的優(yōu)勢(shì)及廣闊的應(yīng)用前景，但在真正投入工業(yè)應(yīng)用之前，仍有多個(gè)專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域面臨挑戰(zhàn)，多項(xiàng)技術(shù)瓶頸仍有待突破，尤其在總體和氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)方面需要解決的技術(shù)難題還很多。

從業(yè)內(nèi)已經(jīng)公開的翼身融合布局中不難發(fā)現(xiàn)，由于中機(jī)身較短，縱向配平能力有限，加之噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，限制了高增升系統(tǒng)（如傳統(tǒng)多段增升裝置）的使用，上述兩種因素的共同影響導(dǎo)致現(xiàn)有多種翼身融合布局的飛機(jī)幾乎都難以滿足下一代商用飛機(jī)對(duì)于起降性能指標(biāo)的要求。

為此，2017年波音和NASA在重啟X-48C驗(yàn)證機(jī)項(xiàng)目時(shí)，將BWB構(gòu)型飛機(jī)的短距起降問題列為首要解決的問題之一，這從一個(gè)側(cè)面反映出翼身融合構(gòu)型飛機(jī)起降問題的復(fù)雜性和高難度。從現(xiàn)有技術(shù)來看，要解決這一問題不僅需要發(fā)展高效增升、小低頭力矩、低噪聲的新型增升裝置，更需要在氣動(dòng)布局方面尋求更大的突破。

其次，高度融合的寬短中機(jī)身帶來安全性與適航性挑戰(zhàn)。翼身融合布局由于中機(jī)身寬短，其安全性和適航性問題一直備受關(guān)注?，F(xiàn)有300以上座級(jí)翼身融合方案在機(jī)身兩側(cè)可布置6個(gè)艙門，為滿足適航應(yīng)急疏散要求，需要在機(jī)身后體下表面再布置艙門，但該位置的應(yīng)急出口存在機(jī)腹著地迫降狀態(tài)下無法使用的風(fēng)險(xiǎn)。此外，寬而短的客艙使每排座位較多，這使外側(cè)乘客在飛機(jī)滾轉(zhuǎn)和偏航飛行時(shí)承受較大過載，且中間乘客距懸窗較遠(yuǎn)。

第三，操穩(wěn)問題使無尾布局短期難以實(shí)現(xiàn)。翼身融合布局縱/航向操縱能力偏低，特殊的質(zhì)量分布和平面形狀又使其傾向于縱/航向不穩(wěn)定，在民機(jī)安全性和飛行品質(zhì)要求下，需要應(yīng)用先進(jìn)的增穩(wěn)控制系統(tǒng)。為了提供適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性和足夠的增穩(wěn)操縱裕度，諸多研究機(jī)構(gòu)在飛機(jī)本體增穩(wěn)技術(shù)和操縱舵面設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了很多探索和研究，但至今還沒有一個(gè)很好的解決方案。

在此背景下，混合翼身布局（HWB）的設(shè)想開始被付諸實(shí)踐?；旌弦砩聿季直举|(zhì)上是翼身融合布局的改進(jìn)和發(fā)展，是翼身融合布局走向?qū)嶋H應(yīng)用過程中綜合設(shè)計(jì)的產(chǎn)物，主要面向450座級(jí)以下客機(jī)。混合翼身布局的顯著特征，或者說與翼身融合布局的差異，主要體現(xiàn)在中央機(jī)體加長(zhǎng)、機(jī)翼-機(jī)身的融合過渡更快、機(jī)身寬度減小、機(jī)身輪廓更加明顯等方面。

混合翼身布局設(shè)計(jì)思想旨在通過快速融合減弱中機(jī)身和過渡段的激波強(qiáng)度，增大外露機(jī)翼面積和展弦比，提高整機(jī)升力面的利用率和氣動(dòng)效率。收窄的中機(jī)身能夠減少每排座位數(shù)，降低外側(cè)乘客承受的過載，增加更多舷窗，縮小中間乘客距舷窗的距離，多方面提升舒適度。較長(zhǎng)的中機(jī)身更容易沿機(jī)身布置艙門，有助于解決應(yīng)急疏散問題，提高安全性。

當(dāng)然，混合翼身布局同樣也有很多問題有待解決，如飛機(jī)-發(fā)動(dòng)機(jī)綜合集成設(shè)計(jì)、降噪技術(shù)等諸多難題，而這些技術(shù)恰恰又都是一個(gè)精細(xì)設(shè)計(jì)、點(diǎn)滴積累的過程，無論是混合翼身布局還是翼身融合布局，當(dāng)前已有的技術(shù)積累是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，新構(gòu)型要真正從紙面變?yōu)楫a(chǎn)品還有很長(zhǎng)的路要走。