創(chuàng)新驅動的航空科技發(fā)展概述-連載綠色飛行

1、創(chuàng)新驅動的航空科技發(fā)展概述（連載2:綠色飛行）羅亞張正彭亮1前言本文中的綠色飛行，包括通過改進飛機氣動布局、改進活動部件、改進動力系統(tǒng)、改進飛行模式等辦法獲得降低油耗、降低噪聲、降低溫室氣體排放的辦法。主要大型項目有NASA系列（如N+3:2030年左右服役的商業(yè)飛機、綠色飛機）、歐盟潔凈天空計劃等，研究方向包括飛機布局形式、新型增升減阻降噪裝置、動力系統(tǒng)等。2綠色飛行2.1 翼身融合布局混合翼身（HWB）、翼身融合（BWB）是針對機翼與機身融合設計的不同說法。很多年前，NASA等機構就已經(jīng)開展了這類布局的研究，還有X-48驗證機。翼身混合布局飛機在氣動特性上相比常規(guī)飛機毫無疑問有極大的優(yōu)勢，

2、但是作為客機時，位置靠邊的乘客在飛機遇到氣流顛簸時，反應會非常劇烈，而且緊急情況下，人員難以快速撤離，這些都導致翼身混合布局的客機僅難以實用。而軍用運輸機不用擔心上述的問題。洛克希德馬丁公司的混合動力翼身（HWB）運輸機計劃在2016年的某個時候試飛比例模型（4%）。該模型已經(jīng)完成了低速風洞試驗，并準備進行改進和試飛。該運輸機采用兩臺超大涵道比渦扇發(fā)動機，布置在機翼后上方，加速翼面上方的氣流，縮短起降距離；飛機保留了常規(guī)的后機身及T尾布局，在保證極好的操縱性和穩(wěn)定性的前提下還便于空投和貨物裝卸。根據(jù)計算和試驗的數(shù)據(jù)，新的HWB運輸機將具有美國最大的運輸機C-5一樣的運輸大型貨物的能力，而油耗卻

3、比C-17還要小70%。圖1洛克希德馬丁的未來HWB軍用運輸機圖2測試用模型飛機的發(fā)動機未按真實比例2.2 雙泡機身由麻省理工大學主導研究的MITD8采用雙泡機身，類似于兩個并列的737客艙，搭配后機身的超大涵道風扇推進。設計的初衷是在滿足好的空間及強度條件下，整合起落架鼓包、使用附面層攝取技術優(yōu)化后體動力布局，實現(xiàn)較大的機身升力和小的阻力，降低噪聲。D8通過N+3研究中的多年改進，布局細節(jié)更加優(yōu)化，在2016年還提出了高效的倒裝發(fā)動機核心機的方案。D8B737-800Cross-sectionalview圖3雙泡機身示意*IN圖4D8發(fā)動機被后機身、垂尾包圍同樣設計的還有法宇航的NOVA（下

4、一代的ONERA飛機），NOVA的設計馬赫數(shù)為0.82,比D8的0.72高。外形設計理念與D8基本一致，但是機頭、尾部和翼尖的處理有明顯差異。NOVA采用T尾布局，兩個超大的齒輪傳動渦輪發(fā)動機艙嵌入在后機身垂尾兩側，使用附面層攝取提高全機升阻比，降低油耗，同時提高垂尾效率。NOVA還采用了針對結構強度和氣2.3 跨音速桁架式支撐機翼波音公司在NASAN+3中提出的亞音速超綠色飛機研究項目（SUGAR,采用的是常規(guī)客機機身+跨音速桁架式支撐機翼設計（TTBW）,這個名稱也是為了與常見的低速支撐翼飛機區(qū)別開來。因為有支撐機構，機翼翼型可以做得很薄，展弦比很大，誘導阻力和波阻小，翼面還能有效保持層流

5、。但是超大展弦比會使得機翼需要折疊以滿足機場使用。SUGAR還計劃在機身底部安裝電池組，使用螺旋槳實現(xiàn)電動或混合推進。根據(jù)試驗和計算分析，TTBW布局適合在M0.7左右巡航，比常規(guī)布局要節(jié)油5-10%,而最新的試驗，在M0.865下，飛機還未出現(xiàn)抖振現(xiàn)象，比預期的性能還要好。但是這個新的布局還依然面臨很多未知的因素，如鳥撞、損傷容限、低速抖振等。圖6SUGAR在進行風洞試驗2.4 尾部推進設計NASA在N3X飛機方案中，使用渦扇發(fā)動機發(fā)電，驅動翼背部的電動風扇群，實現(xiàn)高效率的分布式電推進。但是這類翼身融合布局飛機體型太大，針對波音737這類小飛機用不上,于是NASA等機構設計了尾部的附面層攝取

6、電推進方案。通過計算和實驗分析，尾部的推進器吸入45%的底層附面層，提供的推力足夠大。這樣前面的兩個渦扇發(fā)動機可以設計小型些，增加專用發(fā)電機用于驅動尾部大推力風扇，整個阻力也可以降低。電驅動風扇也避免了吸氣式發(fā)動機由于高度增加帶來的推力損失或動力衰減。而包豪斯航空研究院的設計方案是尾部的渦輪發(fā)動機通過齒輪機構來驅動大型風扇，實現(xiàn)附面層攝取大推力。圖7NASA的尾部電推進概念圖8包豪斯研究院的尾部齒輪風扇推進設計2.5 自適應后緣襟翼NASA的ACTE（自適應后緣襟翼）研究項目，通過與flexsys合作，研制了可柔性和無縫偏轉的后緣襟翼，并安裝在灣流公務機上進行測試。新的襟翼重量、氣動特性、噪聲

7、水平都明顯優(yōu)于原有的襟翼。圖9無縫柔性襟翼2.6 電力推進電力推進主要包括鋰電池、太陽能、燃料電池、混合動力等技術。當前已經(jīng)試飛成功的載人純電動飛機很多了，如空客公司（E-FAN）、斯洛文尼亞蝙蝠飛機公司（阿爾法、金牛座、獵豹等）、中國YUNEEC（E430）等。圖10E-FAN在EAA大會2015年，西門子公司研發(fā)了260kW電動機，重量僅為50kg（功重比5.2,相當于之前普通電機效率的5倍），可為最大重量2000kg的飛機提供動力。2016年7月，安裝有西門子超級電機、蝙蝠飛機公司電池、MT螺旋槳的Extra300LE特技飛機進行了首飛。該特技飛機在加速賽中原來就已經(jīng)將眾多跑車拉下馬，而

8、如今改裝電動之后，動力更強勁，加速更快,在未來該機很可能將創(chuàng)造純電動飛機的速度記錄。圖11Extra330LE首飛ERAOLE（零碳排放混合動力飛機）是法國“海洋生命實驗室”提出的串列翼飛機，其機翼上布滿了太陽能電池板，計劃在本年度進行從紐約到巴黎的飛行。飛行過程中，25%的飛行時間將由太陽能提供動力，55%的時間由從藻類中提取的生物燃料提供動力，剩余的20%時間處于滑翔狀態(tài)。這架全復材飛機起飛過程中依靠機載鋰離子電池提供額外的動力。圖12ERAOLE計劃執(zhí)行紐約到巴黎的跨大西洋飛行2016年7月26日，著名的太陽能飛機-陽光動力2號降落在阿布扎比，創(chuàng)造了太陽能飛機環(huán)球飛行的壯舉。圖13陽光動力2號由于飛機翼展要比波音747大型噴氣式客機更長，因此也能讓電池發(fā)揮最大優(yōu)勢，與電池相匹配的是四臺17.5馬力的電動機，可達到97%的效率，最高時速可達143公里。此外，飛機上還載有633千克的鋰電池，飛機在白天儲存足夠多的能量并將之轉換出來，為鋰電池所用。而這批鋰電池為超輕薄款，每一塊相當于一根頭發(fā)絲。盡管電池有相當多的能量，但為了減輕電池的發(fā)電負擔，夜間飛行時，飛行員會將時速控制在5070公里。飛行中無需一滴燃料。飛機的電力系統(tǒng)主要包括電機、螺旋槳、能量管理系統(tǒng)及減速器等等。飛機的機體選用重量極輕、承載能力強的材料，其中既有碳纖維，也有泡沫等。飛機的前緣、后緣都使用的碳