混合飞翼技术在无人机领域应用研究

混合飞翼技术在无人机领域应用研究

bwb布局飞行混合飞翼（bwb）是指形状为飞翼和传统的“筒体结构和飞机”的飞机。相比传统布局飞机,BWB的翼身融合设计减小了飞行时的摩擦阻力,增大了升阻比,从而具有更低的耗油率;相比外形扁平的飞翼,它拥有相对明显的机身,增大了可利用的内部空间,从而更方便于人员和货物的运输。BWB布局有望用于下一代大型飞机的设计。从20世纪90年代开始,美国波音公司、NASA、美国空军等联合开展了X-48系列BWB布局无人机项目。X-48系列无人机包括A、B、C三种型号,这些无人机均为未来全尺寸大型飞机的缩比技术验证机,其中,X-48C是该系列无人机的第三代也是最后一代型号。2013年4月12日,NASA宣布X-48C完成为期8个月的飞行测试。据NASA当天发表的声明,从2012年8月7日~2013年4月9日,X-48C在美国爱德华兹空军基地共进行了30次飞行测试,每次飞行时间约30min,期间最大飞行速度约225km/h,最大飞行高度约3km。测试表明,BWB布局飞机在起飞、降落等低速飞行阶段稳定、可控,且巡航飞行时气动效率高、噪声低［1-2］。X-48系列无人机试飞的圆满结束标志着美国新型亚声速运输平台的研发取得了重大进展,也将BWB布局概念与现实之间的距离又拉近了一步。1基于liebeck的bwb布局研究长期以来,大型客机的布局形式一直没有发生大的变化,“筒形机身+机翼”的结构几乎成为所有大型客机的共同特征。为探索对于大型客机是否存在效率更高的布局形式,NASA兰利研究中心于1989年举办了一次主题为“空气动力学复兴”的学术会议,在这次会议中,当时麦道公司(后被波音公司合并)工程师Liebeck带领的团队提交的设计方案可视为BWB概念的雏形［3］。如图1所示［4］,在这个设计中由多个圆筒结构组成的扁平机身与机翼融合在一起,可为飞机提供升力;同时这种融合设计可减小飞机浸湿面积,降低空气阻力。之后不久,NASA与Liebeck团队签署了一项9万美元的合同,用于BWB布局的基础研究。Liebeck团队最后提交的报告表明,与传统布局相比,BWB布局具有潜在的极高燃油效率,为此NASA又追加了一项9万美元的合同,供其完善BWB概念［3］。为进一步研究BWB的技术可行性,1994年,NASA与麦道公司签署了一项为期3年的合同,设想的应用方案为800座级的巨型客机。除麦道公司和NASA外,所组建的研究团队还包括斯坦福大学、南加州大学、佛罗里达大学、克拉克-亚特兰大大学。无尾的BWB布局飞机容易出现俯仰和偏航失速,为此,项目团队于1997年7月试飞了一架6%比例BWB-17缩比无人机(如图2所示),用于研究BWB方案的气动和控制特性。BWB-17由斯坦福大学设计制造,翼展5.18m,动力来自于尾部两台活塞发动机驱动的两副螺旋桨。1996年12月,麦道被波音公司合并,由于波音公司对下一代商用喷气飞机有自己的发展思路,麦道公司原来进行的大部分远景研究方案都被撤消,唯独BWB方案因其一定的独特性而被保留［5］。从1997年到2003年,BWB的应用方案一直在200~500座级客机之间变化,研究重点主要集中在计算机模拟和风洞试验,没有飞行试验。期间,波音公司与NASA合作进行了X-48A项目(原名称为BWB-LSV),X-48A按照450座级客机14%比例设计,翼展10.7m,安装3台威廉姆斯公司的J24-8涡喷发动机［6］,计划2004年试飞,后由于NASA预算削减,X-48A项目被迫中止,但保留下来的相关设计方案、风洞试验和飞行试验的总体计划,为X-48B验证机的问世打下了基础［6-7］。1.2x-48b飞行试验2005年9月,波音、NASA、美国空军研究实验室签订协议,在X-48A基础上开展X-48B项目,并于2006年制造出两架8.5%比例X-48B无人机用来进行风洞及飞行试验。X-48B翼展6.4m,由美国波音公司鬼怪工厂(BoeingPhantomWorks)设计,英国克兰菲尔德航空航天公司(CranfieldAerospaceLimited)制造。如图3所示,X-48B由一个类似箭头的宽体机身与后掠机翼完全融合组成,机翼前缘设计有前缘缝翼,后缘设计了20个操纵面,并在每侧翼尖小翼上设计了方向舵。X-48B动力来自于机身后部的三台推力为0.222kN的涡喷发动机。早期方案曾考虑过半埋式发动机舱设计,后为了避免机身附面层对进气道的干扰,发动机短舱改由机背上的支柱支承［6］,这种设计带来的额外好处是减少了发动机传递到机身的噪声与振动。自2007年7月20日首飞成功到2010年项目结束,X-48B共进行了92次飞行试验。首先用了1年多时间完成了20次包线扩展试飞,确定了飞机的操稳特性;接下来进行确定可控边界的失速试飞和单发停车机动试飞;在52次参数辨识飞行中,工程师确认了飞机对其20个控制面输入的动态响应特性;在最后几次试验中,操控人员故意让飞机的某些飞行参数(包括迎角、侧滑角和加速度)超出飞机正常飞行的极限值,测试飞机的参数边界限制功能,试验过程中,机载计算机都能够安全地控制飞机,使其恢复到正常状态［8］。X-48B项目基本解决了BWB布局飞机的飞行控制问题,特别是在起飞、降落等低速飞行阶段飞机的控制问题。1.3飞行控制软件方面的改进。在继承传统基础上增加了b型机X-48C是X-48系列技术验证无人机的最后一个型号(如图4所示)。依然由波音公司设计,克兰菲尔德航空航天公司按照8.5%比例制造,翼展约6.4m,总质量约227kg［2］。自2012年8月7日首飞成功,到2013年4月9日进行最后一次飞行,X-48C缩比无人技术验证机共计进行了30次飞行测试,测试内容包括噪声、排放、油耗等方面。由于C型机与B型机的操纵品质不同,项目团队还进一步修改了飞行控制软件。C型机是对B型机的进一步完善,相比X-48B,主要改变包括［2］:1)取消了X-48B的翼梢小翼,在发动机舱两侧增加了两个外倾式垂尾,垂尾上设计有方向舵。实质上是将X-48B的翼梢小翼移到机尾两侧,最终成为两个垂直尾翼。这种设计不仅确保飞机偏航控制能力,还能屏蔽发动机喷口的侧向噪声。2)更换了动力装置。波音曾计划为X-48C安装微型高涵道比涡扇发动机,但由于技术原因,最终只能选用荷兰先进微型涡轮发动机公司(AMT)研制的涡喷发动机。两台推力为0.396kN的涡喷发动机替代了B型所安装的三台推力为0.222kN的涡喷发动机。高涵道比大推力涡扇发动机能够减少大型飞机配置的发动机数量,降低噪声,节约燃油。未来全尺寸样机可以确定会使用超高涵道比的涡扇发动机,并很有可能采用推力矢量技术,以增强飞机的操控性能。3)在机身尾部增加了一个延伸段,相应设计了升降舵,使机身延长约0.61m。与B型相比,这一设计能有效减少发动机传向地面的噪声。波音公司透露,X-48C将是最后一种无人缩比BWB验证机,接下来的验证机将会是全尺寸有人驾驶型号。2bwb复合材料装置X-48系列无人机是美国除X-37B空天无人机和X-47B舰载无人机外,研发的又一款新概念无人机,反映了美国对未来大型飞机发展的最新探索,其主要技术优势如下:1)良好的承载能力。与传统布局大型飞机相比,BWB飞机的机翼与机身融合在一起,扩大了承载空间,且翼身融合体扁平的截面形状具有更高的空间利用率［9］。2)低耗油率、低排放、长航时、大航程、短距起降。BWB飞机升阻比远高于传统布局飞机,从NASA与波音公司公布的试验结果看,其高升阻比给平台耗油率、排放、航程、航时等方面带来较大优势。在解决了低速飞行控制问题后,高升阻比特性使得BWB飞机具有较低的起飞着陆速度,降低了对机场跑道的长度要求。3)低噪声。独特的发动机后置立柱安装方式,结合尾部机翼后缘舵面、垂尾设计,大大削弱了发动机噪声向地面以及座舱的传播。另外,翼身融合设计在减小飞行阻力的同时,有效减小了空气摩擦噪声。4)隐身。X-48的翼身融合设计具有良好的雷达隐身性能。通过机翼与机身的融合设计,消除了交界处的直角,降低了传统布局飞机角反射器效果,有效减小了雷达反射截面。此外,由于飞机外形结构发生了变化,对制造材料也提出了更高要求。可以肯定,复合材料在BWB布局飞机上的使用比例将大大增加,这也会减小飞机对雷达波的反射。当然,若有必要,还可进一步使用吸波材料蒙皮。3x-48系列无人机技术的应用前景3.1bwb飞机金属旅客系统应该说,自BWB概念诞生之日起,研究目的就是建造一款巨型的宽体客机,但将其作为客机使用还存在以下问题:1)逃生通道设计。按照目前国际上通行的标准,要求客机的全体旅客应该能在90s内安全撤离飞机。这是因为客机发生的事故约80%出现在起/降阶段,此时虽然飞机结构可能遭到破坏,但短时间内还不会发生燃烧、爆炸等扩大事态的变故,如果乘客能在这段时间内迅速撤离飞机,可大大降低事故带来的伤亡率。目前,世界各国运营的客机有单通道和双通道两种,以保证在任何座位上的旅客都可以快速撤离;但没有三通道的客机,因为中间通道的旅客在撤离时无法快速接近舱门。因此,载客量增大的空客A380使用了双层客舱,但每层客舱仍采用双通道设计［5］。BWB飞机座舱宽大,乘客分布密集,如何设计逃生通道,以保证乘客在90s内能够安全撤离,是其遇到的首个难题。2)增压座舱承力结构设计。在高空飞行的飞机都采用了增压座舱以保证乘客乘坐的舒适性,因此,飞行过程中座舱就成为一个“压力容器”,内外存在巨大的压力差。传统布局飞机的圆筒结构很好地解决了这一问题,而对于BWB飞机的扁平结构,此问题极其棘手,只能依靠更高强度与更好疲劳性能的复合材料。X-48项目进行之初已经发现了该问题,由于当时技术水平所限,研究者只能暂时将该问题搁置。目前,波音公司准备采用全新的挤压棒缝合有效组织结构复合材料制造技术(PultrudedRodStitchedEfficientUnitizedStructure,PRSEUS)解决这一问题［3］,该技术通过将框架和桁条缝合到飞机蒙皮上而有效地制造复合材料结构。3)舒适性。由于受到外形限制,BWB飞机后部乘客分布密集,但缺少窗户,设想中的解决方案是在舱顶安装LED屏幕,通过电子手段创造“全景天窗”［4］。另外,在飞机转弯或受到气流扰动时,坐在飞机两侧的乘客将感受到较大程度的倾斜。或许可以对座椅进行特殊设计,使之能够始终保持水平。4)机场兼容性。机场现有的基础设施是否能与这种巨型飞机相容,也需要考虑,至少对机场改造费用不能太高。就目前的情况来看,BWB方案虽然在油耗、噪声、排放等方面具备优势,但用于客机的前景并不明朗。也许BWB飞机作为一种大载重的运输机尤其是军用运输机更为合适,因为上述客机面临的大部分问题对于运输机都不存在。3.2宏观加油成锚装置BWB布局飞机适合作为空中加油机的原因有两点:一是承载能力强,自身耗油率低;二是BWB布局飞机的机身宽大,有望安装多套硬管式加油设备,同时为多架飞机进行硬管式空中加油。目前的空中加油有硬管式(飞桁式)空中加油和软管式(软管-浮锚式)空中加油两种。相比软管式空中加油,硬管式空中加油具有三方面的优势:一是硬式空中加油使用的是刚性杆,对空气乱流不敏感;二是刚性输油管路可承受更高的压力,输油速率比软管式空中加油高得多;三是硬管式空中加油主要由加油机控制舱中的操作员负责加油桁杆与受油机受油插座的对接,受油机飞行员只需保持飞机状态即可,对受油机飞行员操纵要求低。但硬管式空中加油也有自身的不足:由于刚性组件无法卷曲、体积大,且需要考虑控制舱的设置,因此,硬管式加油设备不能像软式加油设备那样安装在机翼上。传统布局飞机只能在机身位置安装一套硬管式加油系统,一次只能给一架飞机进行加油。BWB布局飞机拥有扁平的宽大机身,有足够空间安装多套硬管式加油系统。3.3方案二:新一代舰队在战略轰炸机发展过程中,出现了超声速、高超声速、亚声速三种方案,目前来看,隐身亚声速方案处于优势。以美国B-2为代表的战略轰炸机,隐身能力强、作战半径大。相比而言,BWB飞机不仅延续了B-2的隐身、大航程优势,而且承载空间更大,中低空轰炸时传至地面的噪声更小,具有更高的作战效能与战场生存能力。另外,据俄罗斯《纽带》网站2013年3月5日报道,俄空军批准了用于在2020年以后替代图-95MS和图-160轰炸机的远程航空兵未来航空综合体(即新一代轰炸机)方案。俄空军批准了图波列夫设计局提交的亚声速方案,该方案也将采用类似的翼身融合布局。实质上,BWB布局飞机所体现的航时长、航程远、内部空间