混合飛翼技術(shù)在無人機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用研究

混合飛翼技術(shù)在無人機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用研究

bwb布局飛行混合飛翼（bwb）是指形狀為飛翼和傳統(tǒng)的“筒體結(jié)構(gòu)和飛機(jī)”的飛機(jī)。相比傳統(tǒng)布局飛機(jī),BWB的翼身融合設(shè)計(jì)減小了飛行時(shí)的摩擦阻力,增大了升阻比,從而具有更低的耗油率;相比外形扁平的飛翼,它擁有相對明顯的機(jī)身,增大了可利用的內(nèi)部空間,從而更方便于人員和貨物的運(yùn)輸。BWB布局有望用于下一代大型飛機(jī)的設(shè)計(jì)。從20世紀(jì)90年代開始,美國波音公司、NASA、美國空軍等聯(lián)合開展了X-48系列BWB布局無人機(jī)項(xiàng)目。X-48系列無人機(jī)包括A、B、C三種型號,這些無人機(jī)均為未來全尺寸大型飛機(jī)的縮比技術(shù)驗(yàn)證機(jī),其中,X-48C是該系列無人機(jī)的第三代也是最后一代型號。2013年4月12日,NASA宣布X-48C完成為期8個(gè)月的飛行測試。據(jù)NASA當(dāng)天發(fā)表的聲明,從2012年8月7日~2013年4月9日,X-48C在美國愛德華茲空軍基地共進(jìn)行了30次飛行測試,每次飛行時(shí)間約30min,期間最大飛行速度約225km/h,最大飛行高度約3km。測試表明,BWB布局飛機(jī)在起飛、降落等低速飛行階段穩(wěn)定、可控,且巡航飛行時(shí)氣動(dòng)效率高、噪聲低［1-2］。X-48系列無人機(jī)試飛的圓滿結(jié)束標(biāo)志著美國新型亞聲速運(yùn)輸平臺的研發(fā)取得了重大進(jìn)展,也將BWB布局概念與現(xiàn)實(shí)之間的距離又拉近了一步。1基于liebeck的bwb布局研究長期以來,大型客機(jī)的布局形式一直沒有發(fā)生大的變化,“筒形機(jī)身+機(jī)翼”的結(jié)構(gòu)幾乎成為所有大型客機(jī)的共同特征。為探索對于大型客機(jī)是否存在效率更高的布局形式,NASA蘭利研究中心于1989年舉辦了一次主題為“空氣動(dòng)力學(xué)復(fù)興”的學(xué)術(shù)會(huì)議,在這次會(huì)議中,當(dāng)時(shí)麥道公司(后被波音公司合并)工程師Liebeck帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)提交的設(shè)計(jì)方案可視為BWB概念的雛形［3］。如圖1所示［4］,在這個(gè)設(shè)計(jì)中由多個(gè)圓筒結(jié)構(gòu)組成的扁平機(jī)身與機(jī)翼融合在一起,可為飛機(jī)提供升力;同時(shí)這種融合設(shè)計(jì)可減小飛機(jī)浸濕面積,降低空氣阻力。之后不久,NASA與Liebeck團(tuán)隊(duì)簽署了一項(xiàng)9萬美元的合同,用于BWB布局的基礎(chǔ)研究。Liebeck團(tuán)隊(duì)最后提交的報(bào)告表明,與傳統(tǒng)布局相比,BWB布局具有潛在的極高燃油效率,為此NASA又追加了一項(xiàng)9萬美元的合同,供其完善BWB概念［3］。為進(jìn)一步研究BWB的技術(shù)可行性,1994年,NASA與麥道公司簽署了一項(xiàng)為期3年的合同,設(shè)想的應(yīng)用方案為800座級的巨型客機(jī)。除麥道公司和NASA外,所組建的研究團(tuán)隊(duì)還包括斯坦福大學(xué)、南加州大學(xué)、佛羅里達(dá)大學(xué)、克拉克-亞特蘭大大學(xué)。無尾的BWB布局飛機(jī)容易出現(xiàn)俯仰和偏航失速,為此,項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)于1997年7月試飛了一架6%比例BWB-17縮比無人機(jī)(如圖2所示),用于研究BWB方案的氣動(dòng)和控制特性。BWB-17由斯坦福大學(xué)設(shè)計(jì)制造,翼展5.18m,動(dòng)力來自于尾部兩臺活塞發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的兩副螺旋槳。1996年12月,麥道被波音公司合并,由于波音公司對下一代商用噴氣飛機(jī)有自己的發(fā)展思路,麥道公司原來進(jìn)行的大部分遠(yuǎn)景研究方案都被撤消,唯獨(dú)BWB方案因其一定的獨(dú)特性而被保留［5］。從1997年到2003年,BWB的應(yīng)用方案一直在200~500座級客機(jī)之間變化,研究重點(diǎn)主要集中在計(jì)算機(jī)模擬和風(fēng)洞試驗(yàn),沒有飛行試驗(yàn)。期間,波音公司與NASA合作進(jìn)行了X-48A項(xiàng)目(原名稱為BWB-LSV),X-48A按照450座級客機(jī)14%比例設(shè)計(jì),翼展10.7m,安裝3臺威廉姆斯公司的J24-8渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)［6］,計(jì)劃2004年試飛,后由于NASA預(yù)算削減,X-48A項(xiàng)目被迫中止,但保留下來的相關(guān)設(shè)計(jì)方案、風(fēng)洞試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)的總體計(jì)劃,為X-48B驗(yàn)證機(jī)的問世打下了基礎(chǔ)［6-7］。1.2x-48b飛行試驗(yàn)2005年9月,波音、NASA、美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室簽訂協(xié)議,在X-48A基礎(chǔ)上開展X-48B項(xiàng)目,并于2006年制造出兩架8.5%比例X-48B無人機(jī)用來進(jìn)行風(fēng)洞及飛行試驗(yàn)。X-48B翼展6.4m,由美國波音公司鬼怪工廠(BoeingPhantomWorks)設(shè)計(jì),英國克蘭菲爾德航空航天公司(CranfieldAerospaceLimited)制造。如圖3所示,X-48B由一個(gè)類似箭頭的寬體機(jī)身與后掠機(jī)翼完全融合組成,機(jī)翼前緣設(shè)計(jì)有前緣縫翼,后緣設(shè)計(jì)了20個(gè)操縱面,并在每側(cè)翼尖小翼上設(shè)計(jì)了方向舵。X-48B動(dòng)力來自于機(jī)身后部的三臺推力為0.222kN的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)。早期方案曾考慮過半埋式發(fā)動(dòng)機(jī)艙設(shè)計(jì),后為了避免機(jī)身附面層對進(jìn)氣道的干擾,發(fā)動(dòng)機(jī)短艙改由機(jī)背上的支柱支承［6］,這種設(shè)計(jì)帶來的額外好處是減少了發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞到機(jī)身的噪聲與振動(dòng)。自2007年7月20日首飛成功到2010年項(xiàng)目結(jié)束,X-48B共進(jìn)行了92次飛行試驗(yàn)。首先用了1年多時(shí)間完成了20次包線擴(kuò)展試飛,確定了飛機(jī)的操穩(wěn)特性;接下來進(jìn)行確定可控邊界的失速試飛和單發(fā)停車機(jī)動(dòng)試飛;在52次參數(shù)辨識飛行中,工程師確認(rèn)了飛機(jī)對其20個(gè)控制面輸入的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性;在最后幾次試驗(yàn)中,操控人員故意讓飛機(jī)的某些飛行參數(shù)(包括迎角、側(cè)滑角和加速度)超出飛機(jī)正常飛行的極限值,測試飛機(jī)的參數(shù)邊界限制功能,試驗(yàn)過程中,機(jī)載計(jì)算機(jī)都能夠安全地控制飛機(jī),使其恢復(fù)到正常狀態(tài)［8］。X-48B項(xiàng)目基本解決了BWB布局飛機(jī)的飛行控制問題,特別是在起飛、降落等低速飛行階段飛機(jī)的控制問題。1.3飛行控制軟件方面的改進(jìn)。在繼承傳統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了b型機(jī)X-48C是X-48系列技術(shù)驗(yàn)證無人機(jī)的最后一個(gè)型號(如圖4所示)。依然由波音公司設(shè)計(jì),克蘭菲爾德航空航天公司按照8.5%比例制造,翼展約6.4m,總質(zhì)量約227kg［2］。自2012年8月7日首飛成功,到2013年4月9日進(jìn)行最后一次飛行,X-48C縮比無人技術(shù)驗(yàn)證機(jī)共計(jì)進(jìn)行了30次飛行測試,測試內(nèi)容包括噪聲、排放、油耗等方面。由于C型機(jī)與B型機(jī)的操縱品質(zhì)不同,項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)還進(jìn)一步修改了飛行控制軟件。C型機(jī)是對B型機(jī)的進(jìn)一步完善,相比X-48B,主要改變包括［2］:1)取消了X-48B的翼梢小翼,在發(fā)動(dòng)機(jī)艙兩側(cè)增加了兩個(gè)外傾式垂尾,垂尾上設(shè)計(jì)有方向舵。實(shí)質(zhì)上是將X-48B的翼梢小翼移到機(jī)尾兩側(cè),最終成為兩個(gè)垂直尾翼。這種設(shè)計(jì)不僅確保飛機(jī)偏航控制能力,還能屏蔽發(fā)動(dòng)機(jī)噴口的側(cè)向噪聲。2)更換了動(dòng)力裝置。波音曾計(jì)劃為X-48C安裝微型高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī),但由于技術(shù)原因,最終只能選用荷蘭先進(jìn)微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)公司(AMT)研制的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)。兩臺推力為0.396kN的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)替代了B型所安裝的三臺推力為0.222kN的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)。高涵道比大推力渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)能夠減少大型飛機(jī)配置的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量,降低噪聲,節(jié)約燃油。未來全尺寸樣機(jī)可以確定會(huì)使用超高涵道比的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī),并很有可能采用推力矢量技術(shù),以增強(qiáng)飛機(jī)的操控性能。3)在機(jī)身尾部增加了一個(gè)延伸段,相應(yīng)設(shè)計(jì)了升降舵,使機(jī)身延長約0.61m。與B型相比,這一設(shè)計(jì)能有效減少發(fā)動(dòng)機(jī)傳向地面的噪聲。波音公司透露,X-48C將是最后一種無人縮比BWB驗(yàn)證機(jī),接下來的驗(yàn)證機(jī)將會(huì)是全尺寸有人駕駛型號。2bwb復(fù)合材料裝置X-48系列無人機(jī)是美國除X-37B空天無人機(jī)和X-47B艦載無人機(jī)外,研發(fā)的又一款新概念無人機(jī),反映了美國對未來大型飛機(jī)發(fā)展的最新探索,其主要技術(shù)優(yōu)勢如下:1)良好的承載能力。與傳統(tǒng)布局大型飛機(jī)相比,BWB飛機(jī)的機(jī)翼與機(jī)身融合在一起,擴(kuò)大了承載空間,且翼身融合體扁平的截面形狀具有更高的空間利用率［9］。2)低耗油率、低排放、長航時(shí)、大航程、短距起降。BWB飛機(jī)升阻比遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)布局飛機(jī),從NASA與波音公司公布的試驗(yàn)結(jié)果看,其高升阻比給平臺耗油率、排放、航程、航時(shí)等方面帶來較大優(yōu)勢。在解決了低速飛行控制問題后,高升阻比特性使得BWB飛機(jī)具有較低的起飛著陸速度,降低了對機(jī)場跑道的長度要求。3)低噪聲。獨(dú)特的發(fā)動(dòng)機(jī)后置立柱安裝方式,結(jié)合尾部機(jī)翼后緣舵面、垂尾設(shè)計(jì),大大削弱了發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲向地面以及座艙的傳播。另外,翼身融合設(shè)計(jì)在減小飛行阻力的同時(shí),有效減小了空氣摩擦噪聲。4)隱身。X-48的翼身融合設(shè)計(jì)具有良好的雷達(dá)隱身性能。通過機(jī)翼與機(jī)身的融合設(shè)計(jì),消除了交界處的直角,降低了傳統(tǒng)布局飛機(jī)角反射器效果,有效減小了雷達(dá)反射截面。此外,由于飛機(jī)外形結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,對制造材料也提出了更高要求?？梢钥隙?復(fù)合材料在BWB布局飛機(jī)上的使用比例將大大增加,這也會(huì)減小飛機(jī)對雷達(dá)波的反射。當(dāng)然,若有必要,還可進(jìn)一步使用吸波材料蒙皮。3x-48系列無人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用前景3.1bwb飛機(jī)金屬旅客系統(tǒng)應(yīng)該說,自BWB概念誕生之日起,研究目的就是建造一款巨型的寬體客機(jī),但將其作為客機(jī)使用還存在以下問題:1)逃生通道設(shè)計(jì)。按照目前國際上通行的標(biāo)準(zhǔn),要求客機(jī)的全體旅客應(yīng)該能在90s內(nèi)安全撤離飛機(jī)。這是因?yàn)榭蜋C(jī)發(fā)生的事故約80%出現(xiàn)在起/降階段,此時(shí)雖然飛機(jī)結(jié)構(gòu)可能遭到破壞,但短時(shí)間內(nèi)還不會(huì)發(fā)生燃燒、爆炸等擴(kuò)大事態(tài)的變故,如果乘客能在這段時(shí)間內(nèi)迅速撤離飛機(jī),可大大降低事故帶來的傷亡率。目前,世界各國運(yùn)營的客機(jī)有單通道和雙通道兩種,以保證在任何座位上的旅客都可以快速撤離;但沒有三通道的客機(jī),因?yàn)橹虚g通道的旅客在撤離時(shí)無法快速接近艙門。因此,載客量增大的空客A380使用了雙層客艙,但每層客艙仍采用雙通道設(shè)計(jì)［5］。BWB飛機(jī)座艙寬大,乘客分布密集,如何設(shè)計(jì)逃生通道,以保證乘客在90s內(nèi)能夠安全撤離,是其遇到的首個(gè)難題。2)增壓座艙承力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在高空飛行的飛機(jī)都采用了增壓座艙以保證乘客乘坐的舒適性,因此,飛行過程中座艙就成為一個(gè)“壓力容器”,內(nèi)外存在巨大的壓力差。傳統(tǒng)布局飛機(jī)的圓筒結(jié)構(gòu)很好地解決了這一問題,而對于BWB飛機(jī)的扁平結(jié)構(gòu),此問題極其棘手,只能依靠更高強(qiáng)度與更好疲勞性能的復(fù)合材料。X-48項(xiàng)目進(jìn)行之初已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了該問題,由于當(dāng)時(shí)技術(shù)水平所限,研究者只能暫時(shí)將該問題擱置。目前,波音公司準(zhǔn)備采用全新的擠壓棒縫合有效組織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制造技術(shù)(PultrudedRodStitchedEfficientUnitizedStructure,PRSEUS)解決這一問題［3］,該技術(shù)通過將框架和桁條縫合到飛機(jī)蒙皮上而有效地制造復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。3)舒適性。由于受到外形限制,BWB飛機(jī)后部乘客分布密集,但缺少窗戶,設(shè)想中的解決方案是在艙頂安裝LED屏幕,通過電子手段創(chuàng)造“全景天窗”［4］。另外,在飛機(jī)轉(zhuǎn)彎或受到氣流擾動(dòng)時(shí),坐在飛機(jī)兩側(cè)的乘客將感受到較大程度的傾斜?；蛟S可以對座椅進(jìn)行特殊設(shè)計(jì),使之能夠始終保持水平。4)機(jī)場兼容性。機(jī)場現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施是否能與這種巨型飛機(jī)相容,也需要考慮,至少對機(jī)場改造費(fèi)用不能太高。就目前的情況來看,BWB方案雖然在油耗、噪聲、排放等方面具備優(yōu)勢,但用于客機(jī)的前景并不明朗。也許BWB飛機(jī)作為一種大載重的運(yùn)輸機(jī)尤其是軍用運(yùn)輸機(jī)更為合適,因?yàn)樯鲜隹蜋C(jī)面臨的大部分問題對于運(yùn)輸機(jī)都不存在。3.2宏觀加油成錨裝置BWB布局飛機(jī)適合作為空中加油機(jī)的原因有兩點(diǎn):一是承載能力強(qiáng),自身耗油率低;二是BWB布局飛機(jī)的機(jī)身寬大,有望安裝多套硬管式加油設(shè)備,同時(shí)為多架飛機(jī)進(jìn)行硬管式空中加油。目前的空中加油有硬管式(飛桁式)空中加油和軟管式(軟管-浮錨式)空中加油兩種。相比軟管式空中加油,硬管式空中加油具有三方面的優(yōu)勢:一是硬式空中加油使用的是剛性桿,對空氣亂流不敏感;二是剛性輸油管路可承受更高的壓力,輸油速率比軟管式空中加油高得多;三是硬管式空中加油主要由加油機(jī)控制艙中的操作員負(fù)責(zé)加油桁桿與受油機(jī)受油插座的對接,受油機(jī)飛行員只需保持飛機(jī)狀態(tài)即可,對受油機(jī)飛行員操縱要求低。但硬管式空中加油也有自身的不足:由于剛性組件無法卷曲、體積大,且需要考慮控制艙的設(shè)置,因此,硬管式加油設(shè)備不能像軟式加油設(shè)備那樣安裝在機(jī)翼上。傳統(tǒng)布局飛機(jī)只能在機(jī)身位置安裝一套硬管式加油系統(tǒng),一次只能給一架飛機(jī)進(jìn)行加油。BWB布局飛機(jī)擁有扁平的寬大機(jī)身,有足夠空間安裝多套硬管式加油系統(tǒng)。3.3方案二:新一代艦隊(duì)在戰(zhàn)略轟炸機(jī)發(fā)展過程中,出現(xiàn)了超聲速、高超聲速、亞聲速三種方案,目前來看,隱身亞聲速方案處于優(yōu)勢。以美國B-2為代表的戰(zhàn)略轟炸機(jī),隱身能力強(qiáng)、作戰(zhàn)半徑大。相比而言,BWB飛機(jī)不僅延續(xù)了B-2的隱身、大航程優(yōu)勢,而且承載空間更大,中低空轟炸時(shí)傳至地面的噪聲更小,具有更高的作戰(zhàn)效能與戰(zhàn)場生存能力。另外,據(jù)俄羅斯《紐帶》網(wǎng)站2013年3月5日報(bào)道,俄空軍批準(zhǔn)了用于在2020年以后替代圖-95MS和圖-160轟炸機(jī)的遠(yuǎn)程航空兵未來航空綜合體(即新一代轟炸機(jī))方案。俄空軍批準(zhǔn)了圖波列夫設(shè)計(jì)局提交的亞聲速方案,該方案也將采用類似的翼身融合布局。實(shí)質(zhì)上,BWB布局飛機(jī)所體現(xiàn)的航時(shí)長、航程遠(yuǎn)、內(nèi)部空間