翼身融合(BWB)飞行器的研究现状

1翼身融合飞行器的背景与优势1、背景介绍民用飞机是体现航空技术水平的重要载体之一，一个国家民用飞机的研制、生产、销售、服务和营运水平，很大程度上反映了该国航空工业、基础工业、民航运输业和综合国力的水平。随着科学技术的飞速发展，作为多种基础技术综合体的民用飞机技术也日新月异，世界民机技术正以前所未有的速度迅猛发展。[1]传统客机的机翼、机身组合体可以明显的看出机翼与机身是两个分离的结构。自从这种结构在波音公司的B747飞机上应用以来，几十年来并未发生太大的变化。从我们日常乘坐的飞机就可以看出来，基本上现在的客机都是圆筒形机身安装一对独立的机翼，并且在机身后部还有尾翼。图1波音747气动设计技术是飞机设计的关键技术之一。提高飞机的空气动力特性是飞机设计永恒的主题。通过采用先进的气动设计技术，可以减小飞机飞行时的阻力，提高升阻比和巡航效率，降低耗油率，从而大大提高飞机的经济性错误!未指定书签。。就目前的发展情况来看，主要有以下几种气动布局：传统布局、鸭式布局、三翼面布局、变后掠翼布局、无尾布局等。而整个气动布局逐渐演变的过程伴随着的是人类对空气动力学认识的逐渐加深。人们设计飞机时对流形态的利用主要经历了三个阶段：附着流型、脱体涡流型和可控分离流型。2图2F22猛禽战斗机其实早在上世纪60年代，飞机设计者们就提出了翼身融合的气动布局设计概念。所谓翼身融合体，指机翼和机身做为一个整体来设计，二者的平面形状和剖面形状完全融合为一的机体。2、优势分析通过翼身融合，飞机可以获取更好的气动性能。翼身融合体的优点是结构轻、容积大、阻力小，这些有利于飞机进行超音速飞行，并且能够减少雷达反射面积，实现隐身。具体说来体现在以下方面：1）承载能力高。与传统布局大型飞机相比，BWB飞机的机翼与机身融合在一起，扩大了承载空间，且翼身融合体的扁平化设计具有更高的空间利用率。2）空气动力效率高，气动载荷的分布可达到最佳。翼身融合大大减小了传统布局翼身之间的干扰阻力和诱导阻力，减小了总阻力。同时使得整个机体成为一个大的升力面，最大升阻比可达到25~30。3）低耗油率、低排放、长航时、大航程、短距起降。BWB飞机升阻比远高于传统布局飞机，在解决了低速飞行控制问题后，高升阻比特性使得BWB飞机的起飞着陆速度较低，降低了对机场跑道的长度要求。4）低噪声。独特的发动机安装方式，结合尾部机翼后缘舵面、垂尾设计，大大削弱了发动机噪声向地面以及座舱的传播。另外，翼身融合设计在减小飞行阻力的同时，有效减小了空气摩擦噪声。5）隐身性能。X-48的翼身融合设计具有良好的雷达隐身性能。该设计消除了交界处的直角，降低了传统布局飞机角反射器效果，有效减小了雷达反射截面。同时复合材料在BWB布局飞机上使用比例的大大增加，也会减小飞机对雷达波的反射，甚至还可进一步使用吸波材料蒙皮错误!未指定书签。。33、优势存在的原因飞机飞行时的阻力一般划分为摩擦阻力、粘性压差阻力、诱导阻力、干扰阻力和配平阻力以及高速飞行时的波阻。与升力无紧密联系的阻力，通常被称为废阻力（零升阻力），亚声速飞行时的废阻力主要由蒙皮的摩擦阻力和型阻构成，其大小取决于浸湿面积和飞机的形状。超临界和超声速飞行时，波阻在飞机总阻力中占主要成分。与升力密切相关的阻力称为诱导阻力或升致阻力，它与升力的平方成正比。诱导阻力是由绕翼型的环量决定的，对三维机翼而言，还需加上翼梢涡带来的阻力错误!未指定书签。。为提高给定升力系数CL下巡航飞行的气动效率(CL/CD)，必须尽可能地减小阻力。根据一架典型客机在Ma=0.8，CL=0.48巡航状态的阻力分析可知，飞机各部件的摩擦阻力占总阻力的约51%，压力阻力约19%，诱导阻力约27%和废阻约3%。摩擦阻力直接正比于表面浸润面积，而旅客机要装载一定量的乘客和燃油，需要一定体积。翼身融合体设计要满足在要求容积下减小浸润面积，进而减小摩擦阻力。图3表示了传统的民机外形和翼身组合体外形的浸润面积的比较，可见后者可比前者减少达1/3之多。(a)三维几何对浸润面积的影响（b）翼身融合对浸润面积的影响（c）发动机融合对浸润面积的影响（d）完全融合对浸润面积的影响图3传统的民机外形和翼身组合体外形的浸润面积的比较44、需要额外考虑的问题虽然翼身融合布局有着这样的优势，但同样也有一定的局限性，所以现在的民航客机还没有采用这种布局方式。以X48B为例，总的说来，主要有以下几个方面：（1）逃生通道设计。目前国际上通行的标准是要求客机的全体旅客应该能在90s内安全撤离飞机。BWB飞机座舱宽大且乘客分布密集，如何设计保证乘客及时撤离的逃生通道是其遇到的首个难题。（2）增压座舱承力结构设计。在高空飞行的飞机都采用了增压座舱以保证乘客乘坐的舒适性，也因为此飞机内外存在巨大的压力差。传统布局飞机的圆筒结构很好地解决了这一问题，而对于BWB飞机的扁平结构，目前的解决办法只能是利用高强度复合材料。（3）在飞机转弯或受到气流扰动时，坐在飞机两侧的乘客将感受到较大程度的倾斜。需要对座椅进行特殊设计，使之能够始终保持水平以满足舒适性要求。（4）机场现有的基础设施是否能与这种巨型飞机相容，也需要考虑，至少对机场改造费用不能太高。错误!未指定书签。作为新一代的飞行器结构，翼身融合结构必须考虑一些特有的设计问题，主要包括：1）容积问题。由于乘客舱全部被包裹在机翼内部，为了达到设计的容积，BWB的机翼厚度与翼展的比达到了17%，远远高于传统的气动布局方式。2）巡航俯仰角。飞机巡航时的角度必须保证乘客舱地板的角度在一定的合适范围内。3）机体剪切力。当飞机的重力作用中心和所受的压力作用中心不在一条线上时，飞机会受到很大的剪切力。需要进行某种平衡手段来抵消。4）着陆时的进场速度和姿态。由于其较大的展弦比以及没有襟翼，飞机的进场高度会比较低。因此对进场的速度和姿态有着特殊的要求。5）抖振和失速。特殊的气动布局在带来较大的升阻比的同时，也导致了各处压力的增大，随之而来的就是抖振的加剧以及失速的发生。所以飞行器地抖振的抑制和失速的自我保护也必须要考虑。6）表面控制的能力。飞机的外表面有着很多的独立的面。对这些面的综合控制对飞机效率的影响也很重要。初此以外，飞机的加工工艺也是需要额外考虑的问题错误!未指定书签。。虽然翼身融合气动布局对气动、结构、材料以及控制等方面都有着极为苛刻的要求，但随着技术的不断成熟，一个个难题不断被攻克，这种布局方式应用于大型民航飞机上有着极为良好的前景。5图4X48B试飞二、翼身融合的研究现状1、国外研究进展波音与斯坦福大学合作，最早进行BWB外形的研究，并提出第一代BWB的外形。随后，在NASA(1994-1997)的资助下，与一些大学和研究所共同开展研究，提供一个800座位，航程7000英里(12971km)，巡航Ma=0.85的概念可行的先进客机错误!未指定书签。。欧洲则以MOB项目和VELA(VeryEfficientLargeAircraft)项目为契机，对BWB进行了深入的多学科优化设计研究错误!未指定书签。。俄罗斯中央流体研究院也提出了翼展超过100m（目前适航条例规定翼展最大为80m）的翼身融合方案错误!未指定书签。。2、国内研究进展南京航空航天大学的高峰在分析了大量国内外针对翼身融合体飞机的气动布局的研究成果的基础上，将翼身融合体布局应用到大型民用运输机的设计中。在设计巡航马赫数下，设计了一架起飞总重为200吨级的，具有较强应用价值的高亚音速翼身融合体飞机气动外形，如图所示。经CFD计算后对原有设计进行了修正，再次计算表明基本达到设计要求错误!未指定书签。6图5CFD网格划分清华大学的蒋瑾等设计了一翼身融合布局飞机方案，如下图6所示。经过数值分析得出：1）当展弦比和机翼面积增大时，气动性能会得到改善，其中展弦比的影响尤为明显，这和常规构型的变化规律基本一致。2）外翼前缘后掠角的改变与气动性能的改善并未表现出明显的单调关联关系，需考虑中央机身对气动的贡献，将其影响一并加以考察。3）通过展向扭转分布设计可以实现提高升阻比、减少力矩（有利于增稳）、改善流动状态及展向气动载荷等目的。错误!未指定书签。图6翼身融合布局气动外形王钲云等对X48B进行了三维模型重建。具体尺寸见下表。在不同马赫数下、不同迎角下对该飞行器进行了仿真，得出与传统飞机相比，BWB飞机具有高的升阻比和良好的气动效率。X-48B飞机机身也产生相当大的升力，且机身空间较大，可用于客机或运输机，经济性较大。错误!未指定书签。表1X48B飞机参数翼展/m6.2面积/m29.3质量/kg180最大飞行速度km/h250飞行高度/m3000航程/km218北京航空航天大学的吴江浩等对一种BWB进行了重新建模，具体数据见下7表2。表2计算模型的平面几何形状及对应的特征界面数据截面序号123456到对称面距离/m07.51317.523.538.5展向位置/μ00.1950.3380.4550.6101.000前缘后掠角/°0-15.288-26.5-30.1-34.9-46.8后缘后掠角/°-48-48-47.5-43.75-44.15-50.8弦长/m4832.7122113.669.294扭转角/°-1.97-0.8-0.270.51-2重建的飞行器模型如上图所示。通过进行数值仿真模拟得出，以Ma=0.23起飞和着陆时，升力系数随攻角的增大而增大，在攻角为0°-4°之间，CL随α近似线性增加，当α=4°时升阻比最大，约为15;以Ma=0.85巡航时，升力系数也随攻角的增大而增大，在攻角为0°-3°之间，CL随a近似线性增加，当α=3°时升阻比最大，约为8。随着α的增大(0°-10°之间)，上表面负压区增大并向外侧扩展，下表面压力变化不大，故升阻力系数均随α的增大而增大，但当a大于某一角度时，升力系数增幅小于阻力系数，故升阻比迅速减小。α在3°-5°之间变化时，升阻比均较大且在最大值附近变化，表明采用BWB布局的客机在获得较大升阻比时仍可使乘客在飞行过程中具有较好的舒适性且有利于飞行控制。错误!未指定书签。图7几何模型截面特征及网格划分沈礼敏等所在的北航流体所成立BWB课题组，应用数值计算、风洞试验和模型自由飞等多种手段对影响BWB气动特性的主要参数展开了研究，证明了这种布局方式确实具有相当大的升阻比。错误!未指定书签。8三、飞行过程中波阻的降低飞机减阻技术始终是空气动力学研究热点问题，研究表明，大型客机阻力减小1%，可使直接使用成本（DOC）降低0.2%错误!未指定书签。。常规布局的大型运输类飞机，由于超临界机翼技术的应用，波阻占飞机总阻力的比例较小，因此，基于摩阻、诱阻的减阻措施，包括层流和混合层流技术、新型翼尖装置等减阻手段，得到了广泛的研究和应用。BWB采用了高度融合的设计技术，其阻力成分也发生了较大的变化，典型特征就是激波阻力比重的显著增加，其量值可能达到总阻力的10%以上错误!未指定书签。。N-S方程解表明原始BWB外形的外翼上存在着强激波，BWB外形是由减小浸润面积从而减阻的概念而得，主要目标是要减小波阻(由于跨声速飞行)和非线性压力阻力。错误!未指定书签。3.1扭转反设计英国克朗菲尔德(Cranfield)大学设计了BWB外形(图8)在设计条件Ma=0.85,CL=0.41，H=11500m，重心位置xcg=29.3m下讨论了BWB外形的气动设计问题。为获得良好的气动性能，减阻的过程中必须取得压力阻力和波阻的减小两者较好的平衡。这可以通过优化扭转分布实现最佳展向升力分布和对翼型外形的优化来实现。传统设计中人们通常追求椭圆分布以实现最小诱导阻力，但对于BWB外形，它不再是最小阻力的最佳分布。图8克朗菲尔德大学设计的BWB外形扭转反设计的研究表明，三角/椭圆的平均载荷分布具有最小总阻力(图21)。49counts(0.0001阻力系数为1count)的阻力的减少包括23counts的波阻减小和26counts的诱导阻力，因而可获得较高的升阻比(比原始外形提高了16%)。而翼9型外形的优化会进一步减弱激波的形成。应当指出，三角/椭圆的平均载