超音速客机气动布局的发展

1、飞行器飞行动力学课程论文 学号：9999999992015-2016夏学期姓名：令狐烈专业：工程力学论文题目：超音速客机气动布局概览论文概要：超音速客机是人类一直追求的梦想，它在历史上曾经昙花一现，但很快没落。主要原因是其可靠性、燃油经济性和音爆噪声等问题没有得到很好的解决，这些问题都与其气动外形密切相关。近年来，随着气动外形的优化，超音速客机的以上问题有望得到解决，各国又掀起了超音速客机的研制热潮。本文简要介绍了以往和现阶段各国超音速客机方案的气动外形方案。提交日期：2016年4月超音速客机气动布局概览令狐 烈摘要：超音速客机是人类一直追求的梦想，它在历史上曾经昙花一现，但很快没落。主要原因

2、是其可靠性、燃油经济性和音爆噪声等问题没有得到很好的解决，这些问题都与其气动外形密切相关。近年来，随着气动外形的优化，超音速客机的以上问题有望得到解决，各国又掀起了超音速客机的研制热潮。本文简要介绍了以往和现阶段各国超音速客机方案的气动外形方案。关键词： 超音速客机，气动外形。 【1】 引言飞得更快、更高、更远，是人类永恒的追求。20世纪50年代，随着喷气发动机研制成功和飞机气动外形的优化，人类顺利地跨越了音障，超音速飞行首先在军用飞机上实现1。而随着人们生活节奏的加快，人们对于提高民用飞机飞行速度的渴望越来越强烈。20世纪60年代初，人们对超音速客机市场前景十分看好。在此背景下，英法两国和前

3、苏联抢先研制出了超音速客机，引起了一时的轰动。然而好景不长，很快，超音速客机便暴露出了其潜在的问题。首先是可靠性问题：超音速飞行之下，飞机的气动性能恶化，可操纵性变差。前苏联研制的超音速客机图-144在巴黎航空博览会结束的最后一天进行表演飞行时，就不幸发生空中解体；其次是燃油是经济性问题：超音速客机的耗油量过高，航程不足，载客量少，其成本远远高于亚音速客机；最令人头痛的是音爆问题2。这些当时难以克服的问题，导致唯一投入运营的超音速飞机英法联合研制的“协和号”不仅运营困难，而且在某些地方还被禁止起降，加上空难频发，最后不得不退出历史舞台，此后，超音速客机便沉默了。超音速飞机面临的问题，无论是飞行

4、操纵性，可靠性，燃油经济性，还是最令人头痛的音爆问题，都可以说是飞机的气动问题。然而，人们追求超音速客机的梦想从来没有停止过。此后人们一直在着手研究音爆问题。新型的飞机气动布局的设计，使得音爆问题得以解决，而且气动效率的提高，使得燃油利用率得到提高。随着呼吁超音速飞机的东山再起的声音的增加，近来各国又掀起了超音速客机的研制热潮，超音速客机有望回归。超音速客机的回归，气动外形的优化显然功不可没。本文简要介绍了以往和现阶段各国超音速客机方案的气动外形方案。第2节将会简单概括超音速客机气动外形的设计要求；第3节回顾第一代超音速客机的一些方案的气动外形，主要包括协和号和前苏联的Tu-144；第4节介绍

5、第二代的超音速客机一些方案的气动布局设计；第5节介绍了两种怪异的超音速客机设计方案，以及其中一种斜置飞翼布局的优势，这种布局形式近些年也得到了相当的重视。【2】 超音速客机的气动外形要求 超音速客机的气动外形是一个相当复杂的问题，既要兼顾到亚音速飞行特性，又要考虑超音速飞行要求。同时，又不同于军用的超音速飞机，超音速客机还需要更多地考虑经济因素、环保限制和及旅客的舒适性，这又使得问题变得更加的复杂。超音速客机的气动外形设计主要需要考虑以下几点：1）降低激波阻力：超音速客机因为在超音速下巡航飞行，必须要经历跨音速阶段，突破音障是超音速飞机最基本的要求。为此，超音速客机的气动外形设计要求能够尽量地

6、降低激波阻力，因此飞机尽量设计成流线型，机头设计为锥型而非钝形，以避免在跨音速阶段形成波阻极大的正激波。此外飞机的机翼通常采用大后掠的三角翼，以降低临界马赫数，但是这样的设计也会导致低速飞行性能和起降性能的恶化，需要其他方面来弥补，比如采用更大推力的发动机或者是矢量推力发动机，降落时使用减速伞减速；也有一些方案采用变后掠机翼来解决亚超飞行矛盾（如波音2707-100）。降低激波阻力的另外一种常用的方法是采用面积率，这种方法在军用飞机上不成问题，但是在超音速客机上却受到飞机结构强度和客舱容积的限制。2）减小气动热和减少气动中心后移：超音速飞行时，飞机机体与空气之间进行剧烈的摩擦，产生大量的气动热

7、，气动外形设计对于减少气热影响很大。为此，应当尽量增加飞机的流线型，设置为细长的结构。此外，超音速飞行时，气动中心会后移到1/2弦长处。气动中心的这种变化，使得飞机从亚音速飞行到超音速飞行时，会由于低头力矩过大而产生突然下载。为此，超音速客机主要采用了三角形机翼，其气动力中心位于重心之后,而且在各个速度段上气动中心移动很小。3）降低噪声：超音速客机令人最为头痛的音爆问题，也可以通过气机身外形的调整来加以解决。要降低音爆的强度,使之控制在小于0.0005大气压，主要靠改进飞机的气动外形3。美国国家航空航天局和康乃尔大学的研究发现，可以对机身进行精细的调整，利用机身各部位产生的激波在相位上的差异，

8、诱使它们互相抵消，使传递到地面的N形波的强度减小，减低音爆的影响。降低音爆最简单的方法就是增加机鼻长度，伸长的机鼻（飞机最前端的部分，主要作用是调整气流，使之平滑）可以有效地将N形波转化成一系列弱的激波；这降低了前激波的强度，减弱了音爆的第一声巨响4 。所有机身外形调整的最终目的都是降低前后激波的强度，将N形波转化成平滑的S形正弦波，使不和谐的音爆变得柔和，但是这样却会导致飞机飞行性能的恶化，需要各方面权衡取舍。【3】 第一代超音速客机气动布局第一代的超音速客机主要有前苏联的Tu-144和英法两国的“协和号”超音速客机。协和号是目前为止唯一投入运营的超音速客机。此外还有波音 2707和洛克希德

9、 L-2000，后两者并未投入生产。3.1. 协和号 协和式飞机（Concorde）5是由英国和法国联合研制的一种四发超音速客机，如图1所示，它可以说时最著名的超音速飞机。协和式超音速客机采用无水平尾翼布局，为了适应超音速飞行，协和式飞机的机翼采用三角翼，机翼前缘为S形。选择S型前缘细长三角翼有多种理由：除了升阻比高、涡稳定性好、气动特性好之外,还有一个重要原因是S型机翼气动力中心位于重心之后,而且在各个速度段上气动中心移动很小，这对于飞机的稳定是至关重要的6；三角翼的特点为失速临界点高，飞行速度可以更快，且能有效降低超高速抖动时的问题。协和式飞机前机身细长，这样既可以获得较高的低速仰角升力，

10、有利于起降，又可以降低超音速飞行时产生的阻力，有利于超音速飞行。但是协和式飞机由于机头过于细长，飞行员在起降时由于高仰角导致视线会被机头挡住，为了改善起降视野，机头设计成了可下垂式。图1第一代超音速客机。左图：德国 Sinsheim 的科技博物馆中的协和飞机（左）和Tu-144（右）；右图：Tu-144与协和号平面示意图。3.2. Tu-144Tu-1447是由图波列夫设计局研制的超音速客机，是“协和”同时代的超音速飞机。图 -144 在外形上与“协和”非常接近，并被西方戏称为“协和斯基”。但是两款飞机还是有很大的不同。这两款超音速客机在外观上最大的区别是“协和”飞机采用S形前缘三角翼，而图

11、-144 采用的是双三角翼。此外，生产型的图-144多出了一对被戏称为“兔子耳朵”的可伸缩小翼。3.3. 波音 2707和洛克希德 L-2000与协和号同时代的其他超音速飞机还有波音 2707和洛克希德 L-2000。波音2707（Boeing 2707）是美国波音公司首次开发的超音速客机计划，也是美国历史上至今唯一的一种由美国政府直接主导、出资的民航客机研发项目。它们气动外形的主要特点基本上类似，都是细长的机身和大后掠的三角机翼。相比之下，波音 2707和洛克希德 L-2000要比协和式飞机和Tu144大得多（如图2左图和中图所示），同时，采用了有尾布局。值得一提的是，为了兼顾亚-超音速飞行

12、特性，波音2707-100方案采用了变后掠机翼，如图2右图所示。图2左图和中图：协和式飞机、Tu144、波音 2707和洛克希德 L-2000超音速飞机对比。右图：变后掠翼的波音 2707-100【4】 第二代超音速客机气动布局第一代的超音速客机的失败可以说是因为技术太过超前，但随着音爆问题的研究有了进一步的进展，以及发动机性能的改善和主动控制技术的进一步发展，超音速客机的技术有了更坚实的技术基础。近年来，各国又纷纷提出自己的超音速客机研制计划，超音速客机研制升温，第二代超音速客机有望问世。相比于第一代的超音速客机，第二代在气动外形方面有很多的改进。最主要的一点，也是超音速客机回归的主要一点是

13、，这些新型的超音速客机能够解决音爆问题，并提高了燃油效率。这里将会介绍这些超音速的飞机的气动外形，其中，有些是已经被舍弃的方案，有些是正在研制中，很有可能投入运营的项目。4.1. 音速巡航者音速巡航机（Sonic Cruiser）8, 9是波音公司的一款概念音速客机（如图3所示），于2001年首度提出，其设计速度比现有不少民航客机快，接近音速的水平。图3音速巡航者的三面图（图源9）其主要气动外形如下10：“音速巡航者”将采用细长机身，带根部翼套的双三角大机翼加前翼，后置两台发动机和几乎与发动机结为一体的双垂尾布局。“音速巡航者”机翼的翼尖采用了与波音767400ER类似的后掠翼梢，是提高升阻比

14、的措施之一。采用根弦很长的翼套，既保证了机翼有充裕的装油空间，又保证了机翼具有小厚度弦长比的特点，从而可减小高速飞行的阻力。翼套本身的大后掠角，可以使“音速巡航者”的气动阻力进一步减小。大翼套的机翼空间足够大，所以带多少燃油都不成问题。但是由于机翼位置离重心较远，因而随着燃油在飞行中不断被使用，会引起重心较大的飘移，需要计算机系统来进行重心管理。大翼套的另一缺点是飞机在低速大迎角飞行时，很可能因为外机翼首先失速引起飞机上仰，这时前翼将起到关键的平衡作用，随着飞行中重心的变化，前翼的作用也将越来越大，但它也同时会引起操纵品质的不稳定，因而飞机需要采用电传操纵系统。 “音速巡航者”的机翼放在后面，

15、所以面积律修形可以通过后机身的自然收缩来实现。“音速巡航者”在外机翼的前后缘都设计了增升装置，目的是尽可能将飞机外翼的失速延迟到更大的迎角。双垂尾有些小，离重心的距离又不够远，将会采用全动形式。但是后来，不少航空公司均以营运成本作为订购飞机的考虑因素，而非产品本身的速度，因此波音另推出“7E7”计划，“音速巡航机”项目研发也于2002年12月终止，但技术以及机体设计应用于“7E7”计划（波音787）。4.2. 洛克希德 马丁的“超音速绿色飞机”与波音的“图标 -2” 据美国连线杂志与英国每日邮报等媒体近期报道，为了探索航空飞行的未来，美国洛克希德马丁公司与波音公司日前都向美国宇航局（NASA）

16、提交了未来新型超音速飞机的方案，航空公司声称设计中采取了许多行之有效的办法用以克服超音速飞机的固有问题，包括音爆、续航距离及载荷等，以期寻求更多元的飞行用途11 。洛克希德 马丁提出了“超音速绿色飞机”（如图4左图），这款绿色的飞机线条圆滑、身形纤细，尤其是下垂的机头为了避免飞行员在起降时由于高仰角导致视线被机头挡住的设计，让人顿时想起协和飞机。NASA表示，该“超音速绿色飞机”的倒V字形引擎装置相当于赛车上的阻流板，可改善气流、减少音爆，同时还具有环保、增加续航距离及有效载荷等优点。  而据波音公司发布的概念图（如图4右图），它设计的新一代超音速飞机也使用了V字形的双尾部

17、，与洛克希德马丁的飞机一样，引擎安置在机翼上部。而当年协和飞机与几乎所有的普通商业飞机一样，引擎位于机翼下方。洛克希德 马丁的“超音速绿色飞机” 波音的“图标 -2”图4美国洛克希德马丁公司（左图）与波音公司（右图）向美国宇航局（NASA）提交的未来新型超音速飞机的方案4.3. 空中客车公司的超音速客机方案空客提出的超音速客机的验证方案的气动外形的最大特点是有一副巨大的三角翼安置在浑圆的机身上方。其概念图（如图5）把发动机安装在机身位置，更是采用了可收放的设计，因为空客在这款超音速客机上安装了三种发动机，分别是起飞时使用的涡喷发动机、爬升加力时使用火箭助推，以及巡航阶段的冲压发动机。空客为了实

18、现4.5马赫的飞行速度，将超音速客机打造成了火箭，中置燃料箱就位于乘客座舱的后方。正是为了满足3种动力衔接使用，空客这款超音速客机的机身显得相当臃肿。图5左图：空客超音速概念客推进系统示意图：空客方案使用了3种发动机，分别为火箭发动机、涡轮喷气发动机以及冲压式发动机，动力系统较为复杂。右图：空客超音速概念客机外形图：为了满足3种动力衔接使用，空客这款超音速客机的机身显得相当臃肿。图片来源；4.4云霄塔空天飞机（Skylon）英国Reaction Engines公司在在英国航天局的协助下，正在研发一种名为“云霄塔”（Skylon）的空天飞机12, 13，最高5倍音速、可容纳40 名乘客、使用无碳

19、燃料，发动机从大气中吸收氧气和氢气作燃料，并以单级入轨方式进入近地轨道。其最新的D1方案外形如图6所示。图6云霄塔空天飞机D1方案布局（图源14）云霄塔飞行器 D1 的总体结构包括细长机身及机身中部的三角翼，机身主要包括推进剂贮箱和载荷舱，佩刀发动机在翼尖轴对称布置，在大气层内飞行时，机体分别通过鸭翼、副翼、尾翼来控制飞行器的俯仰、滚转、偏航。在火箭模式上升段，随着动压的减小，主发动机逐渐取得俯仰控制权，直到最终主发动机关闭将俯仰控制权移交给直接力控制器。在飞行器再入大气过程中，直接力控制器又逐渐把机动控制权移交给舵面。在本小节介绍的几种超音速客机中，音速巡航者已经被舍弃，洛克希德 马丁的“超

20、音速绿色飞机”与波音的“图标 -2”有望问世，空中客车公司的超音速客机任重道远，而云霄塔项目似乎很有前景，也是目前最为成熟的一个项目。此外，日本方面关于超音速客机也有相应的计划15，限于篇幅这里不再叙述。【5】 其他一些超音速客机设想这里将要介绍的，是几种比较有意思的超音速客机构想。其中前面两款：阿姆斯特朗和威特沃斯（Whitworth）的M形翼方案和亨德里-佩奇的斜翼飞翼方案，均成为航空史上一个著名的纸上谈兵的异类。5.1阿姆斯特朗和威特沃斯（Whitworth）的M形翼方案大家一致认为，布里斯托尔 198是英国的第一个超音速客机的方案。事实上在布里斯托尔和维克斯-阿姆斯特朗（Vickers

21、-Armstrong）合作提出 198 之前，阿姆斯特朗和威特沃斯（Whitworth）合作提出过一种十分怪异的 M 形机翼方案（如图7所示）。图7阿姆斯特朗和威特沃斯（Whitworth）的M形翼超音速客机方案其气动外形特点如下：1）采用了“跨音速面积率”的蜂腰设计，以减小穿越音障的阻力。2）机头有一个前出的尖刺，用以提前形成激波，将激波前锋从机翼前移，以改善机翼的气动情况。3）机翼从翼根开始前掠，然后到一半翼展的时候，改向后掠，形成一个十分独特的 M 形。这个独特的形状有利于大尺寸大后掠翼的横风控制问题。主要问题：1）速度只有 M1.2；2）其收缩的蜂腰使客舱布置很不方便限于当时的技术水平

22、，该方案最后成为航空史上一个著名的纸上谈兵的异类。5.2亨德里-佩奇的斜翼飞翼方案亨德里-佩奇的方案采用一个巨大的飞翼（如图8所示），乘客和货物都装载在机翼里，但飞行员的座舱在机翼的一端。图8亨德里-佩奇的斜翼飞翼超音速客机方案气动外形特点：亨德里-佩奇的飞翼和一般的飞翼不同：一般的飞翼取消机身，加宽加厚机翼，但飞翼沿前进方向的中轴线是对称的；亨德里-佩奇的飞翼是斜翼，相当于取消机身，同时取消一侧机翼，只剩下另一侧机翼，所以飞翼在空中斜对着前进方向飞。 优点：由于取消了机身，斜着飞的飞翼可以几近任意地调整后略角，而不至于引起太大的气动上的麻烦。主要问题：1）在实际上，后掠角过大时，诱导阻力增加

23、，所以并不实际。2）斜翼对高亚音速到 M1.4 之间是最优的，速度更高并没有优越性。3）起飞着陆时，斜翼要正过来，需要异常宽大的跑道。4）斜翼调整后略角时，发动机的推力方向需要同步调整，大大增加机械上的复杂性。因为以上问题，亨德里-佩奇的斜翼方案最后也是沦为航空史上另一个著名的纸上谈兵的异类。5.2斜置飞翼超音速客机尽管亨德里-佩奇的斜翼飞翼方案太过前卫，不太符合当时的实际而沦为航空史上另一个著名的纸上谈兵的异类。然而，斜翼飞翼方案却因其诸多的优势，近年来又得到了关注。美国国防部也打算重新研究搁置已久的斜置飞翼(OFW)飞机概念16。斜置飞翼是一种飞行后掠角可变的全机翼的飞翼式布局飞机，如图9

24、所示。图9斜置飞翼效果图斜置飞翼主要的优势17如下：1）超音速激波阻力显著减小。超音速巡航时,斜置飞翼沿来流方向的当量长度约为具有相同面积、翼展和后掠角的常规对称机翼的两倍。2）可变后掠特性。斜置飞翼可以通过引擎的旋转和控制面的操纵来调整飞行后掠角,在不同的飞行高度和马赫数下实现最优的飞行性能,高效地完成各种飞行任务。3）斜置飞翼不存在常规变后掠飞机后掠角变化引发的气动中心移动的问题。总结： 本文简要介绍了文章首先简要提出了超音速客机气动设计的一些要求，在此基础上简要介绍了某些第一代超音速客机和第二代超音速客机方案的气动外形布局。文章最后还顺便提了一下两种“怪异”的超音速客机气动外形设计。参考

25、文献：1.王维翰, 追梦超音速客机. 大飞机, 2015(4).2.郭凤忠, 超音速客机东山再起. 航空史研究, 1997(2): p. 39-42.3.顾诵芬, 展望航空技术的发展. 中国科学院院刊, 1997. 1: p. 004.4.云归, 破解音爆魔咒. 大科技: 科学之谜, 2015(4): p. 34-36.5.庾晋, 周洁, and 白木, “协和” 号: 世界上唯一运营的超音速客机. 交通与运输, 2003(2): p. 26-27.6.李成智, 飞机设计思想的一场革命“协和” 式超音速客机研制历程. 航空史研究, 1997(4): p. 44-47.7.苗濛, 第一种超音速客机图-144. 航空知识, 2003(5): p. 20-21.8.宇迪, “音速巡航者” 将改变世界飞行方式. 国际航空, 2001(9): p. 26-27.9.Hepperle, M. The So