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洛·马公司完善翼身融合混合布局 减少油耗90%

2014-02-24 18:01:31 来源: 中国国防科技信息网 作者:
摘要:据美国《航空周刊》网站2014年2月18日报道,通常情况下,飞机性能驱动军用飞机设计决策,能源消耗对飞机设计的影响是次要的。但随着燃料成本的提高以及预算的减少,这种状态正在发生转变。能源正迅速成为限制飞机设计的关键约束,这可能重塑飞机设计观

据美国《航空周刊》网站2014年2月18日报道,通常情况下,飞机性能驱动军用飞机设计决策,能源消耗对飞机设计的影响是次要的。但随着燃料成本的提高以及预算的减少,这种状态正在发生转变。能源正迅速成为限制飞机设计的关键约束,这可能重塑飞机设计观念。

目前,美国空军努力降低燃料消耗,为此他们专注运输机和空中加油机队,因为运输机和空中加油机每年消耗航空燃油占总量的三分之二。尽管近期飞机改型(如编队飞行,翼梢小翼以及其他的减阻装置)能够降低燃油消耗,但这不是长远之计。

空军研究实验室(AFRL) 的RCEE (Revolutionary Configurations for Energy Efficiency)高能效颠覆性布局项目表明:显著降低燃油消耗将可能是飞机设计观念的最大变化。

RCEE项目的第1阶段于2009 年11启动,该阶段的目标是下一代空中运输队的燃油消耗比现在降低90%(原文如此)。2011年启动了RCEE项目的第二阶段,该阶段将持续到2015年,在这阶段,各公司将研究特殊的飞机布局来降低燃油消耗。

在第一阶段,波音公司提出了混合运输编队,这种编队能达到燃油消耗减少90%的目标:有效载荷为20吨的全电绗架翼型设计;有效载荷为40吨的分布式推力混电设计;有效载荷为100吨的翼身融合混电设计。在第二阶段,波音公司密切关注分布式推力、混合燃料推进设计。

洛克希德·马丁公司为了达到燃油消耗减少90%的目标,在第一阶段对飞机布局以及各种技术进行了大量的研究,研究表明翼身融合混合布局(HWB)可能对降低燃油消耗具有最大潜能。在第二阶段,洛克希德马丁公司进一步细化了HWB概念,HWB概念是翼身融合布局和传统布局的结合,机体前部采用翼身融合布局,这种布局具有高效率的空气动力和结构,后部采用机身加尾翼传统布局,这种布局有利于运输机的空运特别是空投。

采用双发的HWB布局的飞机可以携带220000磅(100吨)的有效载荷(包括C-5运输机可以运输的所有特大货物),起飞距离不到6500英尺(1981米),飞行距离可达3200海里(5926公里)。由于HWB采用了新发动机,具有高效的空气动力学和更轻的结构,与波音公司研制的C-17运输机相比HWB布局飞机将可以降低70%的燃油消耗。洛克希德·马丁公司航空工程师里克·胡克说,“如今我们的技术已经成熟,我们可以制造出这种飞机并且经济上可承受”。

HWB研究特点是利用计算流体动力学(CFD)工具进行高度的气动优化。最初巡航马赫数为0.7的飞机,利用CFD进行外形优化后巡航速度可增加到0.81马赫,并且跨声速阻力可以减少45%。洛克希德马丁公司估计,与C-17运输机相比,HWB布局飞机的空气动力学效率要高出65%。与C-5运输机相比,HWB布局飞机空气动力学效率要高30%,与波音787相比,HWB布局飞机即使在低马赫数下气动效率要高出5%。

飞机气动效率高有以下几个原因。首先,翼身融合前机身提供了25%的升力,因为翼根弦外移可以在没有增加机翼重量的前提下增加翼展并减少了阻力,可以改善气动力沿翼展方向的分布,展弦比可以从常规布局的9增加到12。其次,后机身可确保HWB布局飞机空运和空投与现有运输机兼容,这对BWB飞翼布局来说是一个挑战。为了能够短距起降并且防止重心在空投时发生重心突变,飞翼布局需要开发一种新的控制作动器和算法,这将带来风险和费用,虽然与飞翼布局相比传统T型尾翼会增加5%的诱导阻力,但可以提供鲁棒控制并且可以避免开发新控制作动器和算法所带来的费用和风险。类似于C-5运输机,HWB后机身设计可以在投放伞兵部队时在门和舷梯周围提供一个平稳的气流流动区域,尾翼可以保持重心在20%平均气动弦内,并且巡航时尾翼可以避免产生诱导阻力。

HWB设计的不寻常之处是翼身融合机身前部有一个圆形的增压机身。装载在外部非增压舱里的货物可以放在后斜板上通过传送滚筒往前移,再通过机身侧门进入外部货仓。这就可以使得HWB布局的增压舱机身在货仓体积相同的情况下比C-5运输机机身更小、重量更轻。据洛克希德马丁公司计算HWB布局的结构比传统设计轻18%。HWB布局飞机的另一个非传统特点是发动机安装在机翼后缘上方。一直以来,飞机设计都避免采用这种安装方式,因为这种安装方式会在跨声速时引起机翼不利干扰,但采用这种安装方式的本田喷气公务机很好的优化了这种设计。

洛克希德马丁公司对发动机安装在机翼前缘,机翼后缘以及前机身位置时的巡航干扰阻力进行了研究。研究结果表明,发动机短舱安装在机翼后缘有利于提高升阻比,不论什么型号的发动机,发动机安装在机翼后缘上方的空气动力学效率要比翼下安装的常规布局高5%。

目前大家公认的低油耗发动机有三款。第一款是GE公司目前可投入使用的GEnx发动机,第二款是2030可投入使用的罗罗公司的超级风扇概念发动机,第三款是2025年可投入使用的GE公司的开式转子发动机。与C-17和C-5M运输机的发动机相比,第一款、第二款和第三款发动机的燃油消耗率分别要低25%、30%、35%。据洛克希德马丁公司计算,HWB布局的飞机由于空气动力学效率高以及质量轻,比C-17分别安装GEnx发动机、超级风扇发动机、开式转子发动机的燃油消耗要低70% 、75%、 80%。虽然GEnx发动机、超级风扇概念发动机、开式转子发动机的直径大小各异,但通过优化同一架飞机可以根据需要模块化安装不同的发动机。

分析表明发动机安装在机翼后缘上方还有其他的好处。首先短舱前面长长的翼弦可以起到气流导向器的作用,从而减少进气道畸变以及阻挡发动机噪声向地面传播。其次发动机安装在机翼后缘上方可以方便发动机的维修和拆卸,甚至可以在发动机短舱上安装一个小尾翼。最后还有利于升力的产生,发动机吸入气流可以为机翼提供很大的吸升力,类似于安装在翼下的发动机喷出气流打到下偏的襟翼上在翼下形成高压区域,C-17运输机就采用了这种方法。这可使最大升力系数增加15%。

为了提供短距起降能力,类似于洛克希德马丁公司在美国空军研究实验室的速度敏捷项目中研究的短距运输机概念,过剩的燃油容积可以用来进行襟翼吹风产生环流控制。另外还可以像F-35矢量喷管一样,产生垂直升力。

如果C-17按计划在2033年开始退役,那么美国空军将要开始研究下一代战略运输机,因为C-17运输机的研究历时了21年。(中国航空工业发展研究中心张斌)

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