洛克希德·馬丁“混合翼身布局概念”淺析

張斌++趙群力

2014年2月18日，美國(guó)《航空周刊》報(bào)道了洛克希德·馬丁公司提出的混合翼身布局概念（Hybrid Wing-Body，HWB）。HWB布局是一種翼身融合體布局與常規(guī)布局相結(jié)合的混合布局，其機(jī)體前部分采用翼身融合體布局，機(jī)體后部分采用常規(guī)后機(jī)身加尾翼布局。HWB布局最大的特點(diǎn)是空氣動(dòng)力效率高、燃油消耗率低。據(jù)洛克希德·馬丁公司估計(jì)，HWB布局飛機(jī)的空氣動(dòng)力效率要比C-17運(yùn)輸機(jī)高65%，比C-5高30%，在低馬赫數(shù)下比波音787高5%。如果飛機(jī)采用雙發(fā)HWB布局，該飛機(jī)在有效載重為100噸的情況下，其起飛距離可小于1980米，飛行距離可達(dá)5900千米，其燃油消耗可比C-17運(yùn)輸機(jī)降低70%。

HWB概念的提出背景

為了尋求能顯著提高運(yùn)輸機(jī)空氣動(dòng)力效率和能效的氣動(dòng)布局，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）在2009年啟動(dòng)了“提高能效的革命性布局”（Revolutionary Configurations for Energy Efficiency，RCEE）項(xiàng)目。該項(xiàng)目提出的目標(biāo)是，尋求先進(jìn)啟動(dòng)布局技術(shù)，要能夠?qū)?dāng)時(shí)的燃油消耗降低90%、空氣動(dòng)力效率提高30%，且新技術(shù)能在2030～2050年投入使用。RCEE項(xiàng)目分2個(gè)階段進(jìn)行，第1階段為2009～2011年，目標(biāo)是確定燃油消耗比現(xiàn)在降低90%的下一代空中運(yùn)輸機(jī)布局；第2階段為2011～2015年，對(duì)所確定的新型氣動(dòng)布局技術(shù)進(jìn)行深入研究。

波音公司在第1階段提出了由多種構(gòu)型組成的混合空中運(yùn)輸編隊(duì)，包括有：有效載重為20噸的桁架式機(jī)翼全電推進(jìn)運(yùn)輸機(jī)設(shè)計(jì)；有效載重為40噸的分布式混合電推進(jìn)運(yùn)輸機(jī)設(shè)計(jì)；有效載重為100噸的翼身融合體混合電推進(jìn)運(yùn)輸機(jī)設(shè)計(jì)。上述設(shè)計(jì)均能滿足燃油消耗降低90%的要求。在第2階段，波音公司將集中研究分布式推進(jìn)和混合電推進(jìn)技術(shù)。

洛克希德·馬丁公司為了達(dá)到燃油消耗降低90%的目標(biāo)，在項(xiàng)目第1階段對(duì)飛機(jī)各種氣動(dòng)布局和技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，研究表明混合翼身布局（HWB）可能在降低燃油消耗方面具有巨大潛能。因此洛克希德·馬丁公司提出了HWB布局概念。在項(xiàng)目的第2階段，洛克希德·馬丁公司進(jìn)一步細(xì)化了HWB布局。

HWB布局飛機(jī)的總體設(shè)計(jì)特點(diǎn)分析

HWB布局飛機(jī)具有較高的空氣動(dòng)力效率和結(jié)構(gòu)效率，并且可以像常規(guī)布局運(yùn)輸機(jī)一樣在空投和空運(yùn)時(shí)利用尾翼控制飛機(jī)的重心。HWB布局飛機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

機(jī)體前部采用翼身融合體布局

大量研究表明，翼身融合體（BWB）布局具有高效的氣動(dòng)效率，HWB布局繼承了BWB布局的氣動(dòng)優(yōu)勢(shì)，機(jī)體前部也采用了翼身融合體布局，這樣可以減小阻力、增加升力、增加機(jī)體內(nèi)部容積。飛機(jī)阻力主要包括摩擦阻力和誘導(dǎo)阻力。摩擦阻力與浸潤(rùn)面積相關(guān)，浸潤(rùn)面積越小摩擦阻力越小，在定容積情況下，與常規(guī)布局相比，HWB布局可以減小浸潤(rùn)面積，從而減小摩擦阻力。HWB布局機(jī)身與機(jī)翼相互融合，可以有效減小常規(guī)布局中機(jī)身對(duì)機(jī)翼的氣動(dòng)干擾，從而減小氣動(dòng)阻力。此外，HWB布局可以在不增加機(jī)翼重量的情況下增加翼展，展弦比可以由常規(guī)布局的9增加到12，從而減小誘導(dǎo)阻力。HWB布局機(jī)身比常規(guī)布局更加扁平，整個(gè)機(jī)體是一個(gè)升力面，可以大大增加飛機(jī)的升力。HWB布局的扁平機(jī)身與機(jī)翼根部?jī)?nèi)部有足夠的裝載空間，可以進(jìn)行大批次和特殊貨物的運(yùn)輸。

機(jī)體后部采用常規(guī)后機(jī)身加尾翼布局

HWB布局飛機(jī)的機(jī)體后部采用常規(guī)后機(jī)身加尾翼布局，可以防止運(yùn)輸機(jī)在空投時(shí)發(fā)生重心突變，并且具有良好的操縱性?？胀赌芰κ擒娪眠\(yùn)輸機(jī)的重要技術(shù)指標(biāo)之一，運(yùn)輸機(jī)在實(shí)施空投任務(wù)時(shí)其重心會(huì)發(fā)生突變，甚至超出前、后限，這就需要通過(guò)操縱飛機(jī)的舵面來(lái)控制飛機(jī)的穩(wěn)定性。HWB布局飛機(jī)可以通過(guò)尾翼來(lái)控制飛機(jī)，雖然與飛翼布局相比，T型尾翼會(huì)增加5%的誘導(dǎo)阻力，但在執(zhí)行空投任務(wù)時(shí)尾翼可以利用魯棒控制保持飛機(jī)重心在20%平均氣動(dòng)弦內(nèi)。這對(duì)于完全采用BWB布局的飛機(jī)則是一個(gè)很大的技術(shù)挑戰(zhàn)，因?yàn)锽WB布局的控制響應(yīng)是非線性和高度耦合的，為了控制飛機(jī)，BWB布局飛機(jī)必須同時(shí)控制多個(gè)操縱面。此外，有了常規(guī)尾翼后，HWB布局飛機(jī)可以實(shí)現(xiàn)短距起降，并且飛行員可以像操縱C-5和C-17運(yùn)輸機(jī)一樣容易操縱HWB布局飛機(jī)。

發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在機(jī)翼后緣上方

一直以來(lái)，飛機(jī)設(shè)計(jì)都避免發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在機(jī)翼后緣上方，因?yàn)檫@種安裝方式在跨聲速時(shí)會(huì)引起機(jī)翼不利干擾，但HWB布局飛機(jī)的設(shè)計(jì)者提出將發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)支柱支撐的方式安裝在機(jī)翼后緣上方。他們認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在機(jī)翼后緣上方有利于提高升力和升阻比、減小進(jìn)氣道畸變、降低噪聲。洛克希德·馬丁公司對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在機(jī)翼前緣，機(jī)翼后緣以及前機(jī)身位置時(shí)的巡航干擾阻力進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)短艙安裝在機(jī)翼后緣上方有利于提高升阻比，并且發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在機(jī)翼后緣上方比發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在機(jī)翼下的空氣動(dòng)力學(xué)效率要高5%。從增升角度看，將發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在機(jī)翼后緣上方，發(fā)動(dòng)機(jī)吸入的氣流可以為機(jī)翼提供很大的吸升力，這可使最大升力系數(shù)增加15%。這種增升原理與C-17運(yùn)輸機(jī)翼下形成高壓區(qū)的增升原理類似：C-17運(yùn)輸機(jī)將發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在機(jī)翼下面，翼下發(fā)動(dòng)機(jī)噴出氣流會(huì)打到下偏的襟翼上，從而在翼下形成高壓區(qū)進(jìn)而起到增升作用。從進(jìn)氣道效率來(lái)看，將發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在機(jī)翼后緣上方，發(fā)動(dòng)機(jī)短艙前面長(zhǎng)長(zhǎng)的翼弦可以起到氣流導(dǎo)向器的作用，從而減少進(jìn)氣道畸變。從噪聲角度來(lái)看，將發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在機(jī)翼后緣上方，機(jī)翼可以阻擋發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲，從而有效地減少噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲對(duì)地面的影響。

HWB布局的主要技術(shù)問(wèn)題是結(jié)構(gòu)問(wèn)題

常規(guī)布局的機(jī)身為圓柱形機(jī)身，機(jī)身內(nèi)部的壓力均勻分布，容易保持機(jī)身內(nèi)部密封。但HWB布局的機(jī)身為扁平機(jī)身，這將使結(jié)構(gòu)承受更大的壓力載荷，再加上要承載機(jī)翼彎曲載荷，所以HWB布局會(huì)存在結(jié)構(gòu)問(wèn)題。這是BWB布局的共性問(wèn)題，采用BWB布局的X-48也面臨同樣的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)研究NASA的研究人員提出采用復(fù)合結(jié)構(gòu)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

對(duì)HWB布局的幾點(diǎn)看法

NASA和波音公司對(duì)BWB布局進(jìn)行了大量研究，其研究結(jié)果表明，BWB布局與常規(guī)布局相比，可以顯著提高空氣動(dòng)力效率，降低燃油消耗，但BWB布局面對(duì)一個(gè)很大的技術(shù)挑戰(zhàn)，那就是飛行控制問(wèn)題。洛克希德·馬丁公司提出的HWB布局很好地繼承了BWB布局的高效率氣動(dòng)優(yōu)勢(shì)，繞開了BWB布局的飛行控制問(wèn)題，可謂是一種革命性氣動(dòng)布局。其發(fā)展前景如下：

HWB布局有可能成為美軍下一代軍用運(yùn)輸機(jī)優(yōu)先選擇的氣動(dòng)布局。

首先，HWB布局是針對(duì)軍用運(yùn)輸機(jī)提出來(lái)的，HWB布局概念考慮了運(yùn)輸機(jī)貨物裝載和空投時(shí)重心突變等問(wèn)題。

其次，按照計(jì)劃C-17運(yùn)輸機(jī)將在2033年開始退役，C-17運(yùn)輸機(jī)的研制花費(fèi)了21年，所以現(xiàn)在是美國(guó)開始著手研制下一代運(yùn)輸機(jī)的時(shí)候了。從氣動(dòng)效率角度看，BWB布局最有望成為美軍下一代軍用運(yùn)輸機(jī)的優(yōu)先氣動(dòng)布局，但是BWB布局的控制問(wèn)題現(xiàn)在仍然沒(méi)有得到解決，而機(jī)體后部采用常規(guī)尾翼布局的HWB布局規(guī)避了BWB布局存在的控制問(wèn)題。所以HWB布局有望成為美軍下一代軍用運(yùn)輸機(jī)優(yōu)先選擇的氣動(dòng)布局。

HWB布局有可能成為未來(lái)民用客機(jī)優(yōu)先選擇的氣動(dòng)布局。民用客機(jī)要求經(jīng)濟(jì)性、安全性和靜音性好。據(jù)洛克希德·馬丁公司估計(jì)，HWB布局的氣動(dòng)效率在低馬赫數(shù)下比波音787高5%；HWB布局發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在機(jī)翼后緣上方可以避免非包容性發(fā)動(dòng)機(jī)事故沖擊到客艙、油箱；機(jī)身可以遮蔽風(fēng)扇噪聲傳播，避免發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲被機(jī)翼下表面反射。因此，HWB布局有利于提高飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、安全性和靜音性，有可能成為未來(lái)民用客機(jī)優(yōu)先選擇的氣動(dòng)布局。endprint