创新驱动的航空科技发展概述-连载2-绿色飞行

创新驱动的航空科技发展概述（连载2：绿色飞行）罗竑张正彭亮1前言本文中的绿色飞行，包括通过改进飞机气动布局、改进活动部件、改进动力系统、改进飞行模式等办法获得降低油耗、降低噪声、降低温室气体排放的办法。主要大型项目有NASA系列（如N+3：2030年左右服役的商业飞机、绿色飞机）、欧盟洁净天空计划等，研究方向包括飞机布局形式、新型增升减阻降噪装置、动力系统等。2绿色飞行2.1翼身融合布局混合翼身（HWB）、翼身融合（BWB）是针对机翼与机身融合设计的不同说法。很多年前，NASA等机构就已经开展了这类布局的研究，还有X-48验证机。翼身混合布局飞机在气动特性上相比常规飞机毫无疑问有极大的优势，但是作为客机时，位置靠边的乘客在飞机遇到气流颠簸时，反应会非常剧烈，而且紧急情况下，人员难以快速撤离，这些都导致翼身混合布局的客机仅难以实用。而军用运输机不用担心上述的问题。洛克希德·马丁公司的混合动力翼身（HWB）运输机计划在2016年的某个时候试飞比例模型（4%）。该模型已经完成了低速风洞试验，并准备进行改进和试飞。该运输机采用两台超大涵道比涡扇发动机，布置在机翼后上方，加速翼面上方的气流，缩短起降距离；飞机保留了常规的后机身及T尾布局，在保证极好的操纵性和稳定性的前提下还便于空投和货物装卸。根据计算和试验的数据，新的HWB运输机将具有美国最大的运输机C-5一样的运输大型货物的能力，而油耗却比C-17还要小70%。图1洛克希德·马丁的未来HWB军用运输机图2测试用模型飞机的发动机未按真实比例2.2双泡机身由麻省理工大学主导研究的MITD8采用双泡机身，类似于两个并列的737客舱，搭配后机身的超大涵道风扇推进。设计的初衷是在满足好的空间及强度条件下，整合起落架鼓包、使用附面层摄取技术优化后体动力布局，实现较大的机身升力和小的阻力，降低噪声。D8通过N+3研究中的多年改进，布局细节更加优化，在2016年还提出了高效的倒装发动机核心机的方案。图3双泡机身示意图4D8发动机被后机身、垂尾包围同样设计的还有法宇航的NOVA（下一代的ONERA飞机），NOVA的设计马赫数为0.82，比D8的0.72高。外形设计理念与D8基本一致，但是机头、尾部和翼尖的处理有明显差异。NOVA采用T尾布局，两个超大的齿轮传动涡轮发动机舱嵌入在后机身垂尾两侧，使用附面层摄取提高全机升阻比，降低油耗，同时提高垂尾效率。NOVA还采用了针对结构强度和气动综合优化的鸥翼设计。图5NOVA的设计方案2.3跨音速桁架式支撑机翼波音公司在NASAN+3中提出的亚音速超绿色飞机研究项目（SUGAR），采用的是常规客机机身+跨音速桁架式支撑机翼设计（TTBW），这个名称也是为了与常见的低速支撑翼飞机区别开来。因为有支撑机构，机翼翼型可以做得很薄，展弦比很大，诱导阻力和波阻小，翼面还能有效保持层流。但是超大展弦比会使得机翼需要折叠以满足机场使用。SUGAR还计划在机身底部安装电池组，使用螺旋桨实现电动或混合推进。根据试验和计算分析，TTBW布局适合在M0.7左右巡航，比常规布局要节油5-10%，而最新的试验，在M0.865下，飞机还未出现抖振现象，比预期的性能还要好。但是这个新的布局还依然面临很多未知的因素，如鸟撞、损伤容限、低速抖振等。图6SUGAR在进行风洞试验2.4尾部推进设计NASA在N3X飞机方案中，使用涡扇发动机发电，驱动翼背部的电动风扇群，实现高效率的分布式电推进。但是这类翼身融合布局飞机体型太大，针对波音737这类小飞机用不上，于是NASA等机构设计了尾部的附面层摄取电推进方案。通过计算和实验分析，尾部的推进器吸入45%的底层附面层，提供的推力足够大。这样前面的两个涡扇发动机可以设计小型些，增加专用发电机用于驱动尾部大推力风扇，整个阻力也可以降低。电驱动风扇也避免了吸气式发动机由于高度增加带来的推力损失或动力衰减。而包豪斯航空研究院的设计方案是尾部的涡轮发动机通过齿轮机构来驱动大型风扇，实现附面层摄取大推力。图7NASA的尾部电推进概念图8包豪斯研究院的尾部齿轮风扇推进设计2.5自适应后缘襟翼NASA的ACTE（自适应后缘襟翼）研究项目，通过与flexsys合作，研制了可柔性和无缝偏转的后缘襟翼，并安装在湾流公务机上进行测试。新的襟翼重量、气动特性、噪声水平都明显优于原有的襟翼。图9无缝柔性襟翼2.6电力推进电力推进主要包括锂电池、太阳能、燃料电池、混合动力等技术。当前已经试飞成功的载人纯电动飞机很多了，如空客公司（E-FAN）、斯洛文尼亚蝙蝠飞机公司（阿尔法、金牛座、猎豹等）、中国YUNEEC（E430）等。图10E-FAN在EAA大会2015年，西门子公司研发了260kW电动机，重量仅为50kg（功重比5.2，相当于之前普通电机效率的5倍），可为最大重量2000kg的飞机提供动力。2016年7月，安装有西门子超级电机、蝙蝠飞机公司电池、MT螺旋桨的Extra300LE特技飞机进行了首飞。该特技飞机在加速赛中原来就已经将众多跑车拉下马，而如今改装电动之后，动力更强劲，加速更快，在未来该机很可能将创造纯电动飞机的速度记录。图11Extra330LE首飞ERAOLE（零碳排放混合动力飞机）是法国“海洋生命实验室”提出的串列翼飞机，其机翼上布满了太阳能电池板，计划在本年度进行从纽约到巴黎的飞行。飞行过程中，25%的飞行时间将由太阳能提供动力，55%的时间由从藻类中提取的生物燃料提供动力，剩余的20%时间处于滑翔状态。这架全复材飞机起飞过程中依靠机载锂离子电池提供额外的动力。图12ERAOLE计划执行纽约到巴黎的跨大西洋飞行2016年7月26日，著名的太阳能飞机-阳光动力2号降落在阿布扎比，创造了太阳能飞机环球飞行的壮举。图13阳光动力2号由于飞机翼展要比波音747大型喷气式客机更长，因此也能让电池发挥最大优势，与电池相匹配的是四台17.5马力的电动机，可达到97%的效率，最高时速可达143公里。此外，飞机上还载有633千克的锂电池，飞机在白天储存足够多的能量并将之转换出来，为锂电池所用。而这批锂电池为超轻薄款，每一块相当于一根头发丝。尽管电池有相当多的能量，但为了减轻电池的发电负担，夜间飞行时，飞行员会将时速控制在50~70公里。飞行中无需一滴燃料。飞机的电力系统主要包括电机、螺旋桨、能量管理系统及减速器等等。飞机的机体选用重量极轻、承载能力强的材料，其中既有碳纤维，也有泡沫等。飞机的前缘、后缘都使用的碳纤维材料，其承载能力也比一般材料更好。飞机的舱体则使用的是保温隔热材料。驾驶舱壳体的部分材料使用的聚氨酯泡沫，在门锁和舷窗的设计上，飞机则使用了聚氨酯复合材料，驾驶舱外部也有部分聚氨酯泡沫被用于电池隔热，同时机身上还附有银色涂层的原材料，该涂层可以保护太阳能电池，其曾用于电动汽车。