翼身融合(BWB)飞行器的背景及优势

翼身融合飞行器的背景与优势1、背景介绍民用飞机是体现航空技术水平的重要载体之一，一个国家民用飞机的研制、生产、销售、服务和营运水平，很大程度上反映了该国航空工业、基础工业、民航运输业和综合国力的水平。随着科学技术的飞速发展，作为多种基础技术综合体的民用飞机技术也日新月异，世界民机技术正以前所未有的速度迅猛发展。[1]传统客机的机翼、机身组合体可以明显的看出机翼与机身是两个分离的结构。自从这种结构在波音公司的B747飞机上应用以来，几十年来并未发生太大的变化。从我们日常乘坐的飞机就可以看出来，基本上现在的客机都是圆筒形机身安装一对独立的机翼，并且在机身后部还有尾翼。图1波音747气动设计技术是飞机设计的关键技术之一。提高飞机的空气动力特性是飞机设计永恒的主题。通过采用先进的气动设计技术，可以减小飞机飞行时的阻力，提高升阻比和巡航效率，降低耗油率，从而大大提高飞机的经济性REF_Ref3466\r\h错误!未指定书签。。就目前的发展情况来看，主要有以下几种气动布局：传统布局、鸭式布局、三翼面布局、变后掠翼布局、无尾布局等。而整个气动布局逐渐演变的过程伴随着的是人类对空气动力学认识的逐渐加深。人们设计飞机时对流形态的利用主要经历了三个阶段：附着流型、脱体涡流型和可控分离流型。图2F22猛禽战斗机其实早在上世纪60年代，飞机设计者们就提出了翼身融合的气动布局设计概念。所谓翼身融合体，指机翼和机身做为一个整体来设计，二者的平面形状和剖面形状完全融合为一的机体。优势分析通过翼身融合，飞机可以获取更好的气动性能。翼身融合体的优点是结构轻、容积大、阻力小，这些有利于飞机进行超音速飞行，并且能够减少雷达反射面积，实现隐身。具体说来体现在以下方面：1）承载能力高。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，且翼身融合体的扁平化设计具有更高的空间利用率。2）空气动力效率高，气动载荷的分布可达到最佳。翼身融合大大减小了传统布局翼身之间的干扰阻力和诱导阻力，减小了总阻力。同时使得整个机体成为一个大的升力面，最大升阻比可达到25~30。3）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，在解决了低速飞行控制问题后，高升阻比特性使得BWB飞机的起飞着陆速度较低，降低了对机场跑道的长度要求。4）低噪声。独特的发动机安装方式，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。5）隐身性能。X-48的翼身融合设计具有良好的雷达隐身性能。该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。同时复合材料在BWB布局飞机上使用比例的大大增加，也会减小飞机对雷达波的反射，甚至还可进一步使用吸波材料蒙皮REF_Ref32425\w\h错误!未指定书签。。INCLUDEPICTURE\d"/upload/rongxiong110117-3/2.jpg"\*MERGEFORMATINET图4X48B试飞翼身融合的研究现状1、国外研究进展波音与斯坦福大学合作，最早进行BWB外形的研究，并提出第一代BWB的外形。随后，在NASA(1994-1997)的资助下，与一些大学和研究所共同开展研究，提供一个800座位，航程7000英里(12971km)，巡航Ma=0.85的概念可行的先进客机REF_Ref3835\w\h错误!未指定书签。。欧洲则以MOB项目和VELA(VeryEfficientLargeAircraft)项目为契机，对BWB进行了深入的多学科优化设计研究REF_Ref3190\w\h错误!未指定书签。。俄罗斯中央流体研究院也提出了翼展超过100m（目前适航条例规定翼展最大为80m）的翼身融合方案REF_Ref27997\w\h错误!未指定书签。。2、国内研究进展南京航空航天大学的高峰在分析了大量国内外针对翼身融合体飞机的气动布局的研究成果的基础上，将翼身融合体布局应用到大型民用运输机的设计中。在设计巡航马赫数下，设计了一架起飞总重为200吨级的，具有较强应用价值的高亚音速翼身融合体飞机气动外形，如图所示。经CFD计算后对原有设计进行了修正，再次计算表明基本达到设计要求REF_Ref4119\w\h错误!未指定书签。图5CFD网格划分清华大学的蒋瑾等设计了一翼身融合布局飞机方案，如下图6所示。经过数值分析得出：1）当展弦比和机翼面积增大时，气动性能会得到改善，其中展弦比的影响尤为明显，这和常规构型的变化规律基本一致。2）外翼前缘后掠角的改变与气动性能的改善并未表现出明显的单调关联关系，需考虑中央机身对气动的贡献，将其影响一并加以考察。3）通过展向扭转分布设计可以实现提高升阻比、减少力矩（有利于增稳）、改善流动状态及展向气动载荷等目的。REF_Ref4171\w\h错误!未指定书签。图6翼身融合布局气动外形王钲云等对X48B进行了三维模型重建。具体尺寸见下表。在不同马赫数下、不同迎角下对该飞行器进行了仿真，得出与传统飞机相比，BWB飞机具有高的升阻比和良好的气动效率。X-48B飞机机身也产生相当大的升力，且机身空间较大，可用于客机或运输机，经济性较大。REF_Ref4204\w\h错误!未指定书签。表1X48B飞机参数翼展/m6.2面积/m29.3质量/kg180最大飞行速度km/h250飞行高度/m3000航程/km218北京航空航天大学的吴江浩等对一种BWB进行了重新建模，具体数据见下表2。表2计算模型的平面几何形状及对应的特征界面数据截面序号123456到对称面距离/m07.51317.523.538.5展向位置/μ00.1950.3380.4550.6101.000前缘后掠角/°0-15.288-26.5-30.1-34.9-46.8后缘后掠角/°-48-48-47.5-43.75-44.15-50.8弦长/m4832.7122113.669.294扭转角/°-1.97-0.8-0.270.51-2重建的飞行器模型如上图所示。通过进行数值仿真模拟得出，以Ma=0.23起飞和着陆时，升力系数随攻角的增大而增大，在攻角为0°-4°之间，CL随α近似线性增加，当α=4°时升阻比最大，约为15;以Ma=0.85巡航时，升力系数也随攻角的增大而增大，在攻角为0°-3°之间，CL随a近似线性增加，当α=3°时升阻比最大，约为8。随着α的增大(0°-10°之间)，上表面负压区增大并向外侧扩展，下表面压力变化不大，故升阻力系数均随α的增大而增大，但当a大于某一角度时，升力系数增幅小于阻力系数，故升阻比迅速减小。α在3°-5°之间变化时，升阻比均较大且在最大值附近变化，表明采用BWB布局的客机在获得较大升阻比时仍可使乘客在飞行过程中具有较好的舒适性且有利于飞行控制。REF_Ref4243\w\h错误!未指定书签。图7几何模型截面特征及网格划分沈礼敏等所在的北航流体所成立BWB课题组，应用数值计算、风洞试验和模型自由飞等多种手段对影响BWB气动特性的主要参数展开了研究，证明了这种布局方式确实具有相当大的升阻比。REF_Ref3613\w\h错误!未指定书签。三、飞行过程中波阻的降低飞机减阻技术始终是空气动力学研究热点问题，研究表明，大型客机阻力减小1%，可使直接使用成本（DOC）降低0.2%REF_Ref22418\w\h错误!未指定书签。。常规布局的大型运输类飞机，由于超临界机翼技术的应用，波阻占飞机总阻力的比例较小，因此，基于摩阻、诱阻的减阻措施，包括层流和混合层流技术、新型翼尖装置等减阻手段，得到了广泛的研究和应用。BWB采用了高度融合的设计技术，其阻力成分也发生了较大的变化，典型特征就是激波阻力比重的显著增加，其量值可能达到总阻力的10%以上REF_Ref23378\w\h错误!未指定书签。。N-S方程解表明原始BWB外形的外翼上存在着强激波，BWB外形是由减小浸润面积从而减阻的概念而得，主要目标是要减小波阻(由于跨声速飞行)和非线性压力阻力。REF_Ref3835\w\h错误!未指定书签。3.1扭转反设计英国克朗菲尔德(Cranfield)大学设计了BWB外形(图8)在设计条件Ma=0.85,CL=0.41，H=11500m，重心位置xcg=29.3m下讨论了BWB外形的气动设计问题。为获得良好的气动性能，减阻的过程中必须取得压力阻力和波阻的减小两者较好的平衡。这可以通过优化扭转分布实现最佳展向升力分布和对翼型外形的优化来实现。传统设计中人们通常追求椭圆分布以实现最小诱导阻力，但对于BWB外形，它不再是最小阻力的最佳分布。图8克朗菲尔德大学设计的BWB外形扭转反设计的研究表明，三角/椭圆的平均载荷分布具有最小总阻力(图21)。49counts(0.0001阻力系数为1count)的阻力的减少包括23counts的波阻减小和26counts的诱导阻力，因而可获得较高的升阻比(比原始外形提高了16%)。而翼型外形的优化会进一步减弱激波的形成。应当指出，三角/椭圆的平均载荷分布还有利于减小翼根弯曲力矩而减轻重量。REF_Ref3835\w\h错误!未指定书签。图9Ma=0.85时不同分布的升阻比变化曲线3.2利用鼓包减阻在众多的主、被动流动控制减阻技术中，实体鼓包以其简单、不带来附加粘性性阻力的优点，弱化激波、减小激波阻力的效果最为明显。欧洲空客公司进行了A340混合层流机翼加装鼓包的计算流体力学(CFD)与风洞试验研究，结果表明，加装鼓包后的A340在典型的北大西洋航线中，最大减阻量可达4%（马赫数Ma=0.84）REF_Ref28009\w\h[14]。美国空军在P-51上加装鼓包进行提高阻力发散马赫数研究。1、λ形激波减阻原理流动通过一系列斜激波所带来的总压损失总是小于单独的正激波。图10Bumpl就是按这一物理规律产生系列相对较弱的激波代替较强激波，产生“强干扰”弱化激波的流动控制原理。加Bumpl后，翼型上表面一道较强的近似正激波由前、后激波与主激波组成的入形激波结构所代替，激波处的压力峰减小后移。Bumpl轮廓线为简单凸型，与翼型表面的不连续过渡在鼓包前缘形成拐点，超声速气流通过拐点时，先产生一道较弱的斜激波，即前激波，翼型表面压力产生阶跃下降，此后，受凸型曲线影响膨胀气流再加速为超声速，以后激波终止，产生λ形激波代替原来的近似正激波而使波阻减小。图10Bump1和Bump2的几何形状2、等熵压缩减阻原理Bump2按照等墒压缩原理设计。Bump2轮廓线为凹一凸-形状，这种凹一凸一凹形状使鼓包与翼型表面过渡的曲率变化尽可能小，实现光滑过渡，以减小外形曲率变化对跨声速流动的扰动，产生“弱干扰”对激波实现弱化。前部的凹形与翼型表面光滑过渡，同时延长翼型表面的“平直等墒压缩段”，使上表面气流继续缓慢等墒压缩的更为充分，产生“减速”过程，产生较弱激波。鼓包顶点后的凹形加强与其后翼型表面的光滑过渡，减小压力损失。加Bump2后，翼型表面虽仍为一道较强激波，但波前负压值明显减小、激波强度减弱、位置后移，表明等墒压缩更为充分REF_Ref23378\w\h[13]。图11鼓包的静压等值线对比参考文献明磊.翼身融合体民用运输机空气动力设计[D].国防科学技术大学,2005.朱自强,王晓璐,吴宗成,等.民机的一种新型布局形式——翼身融合体飞机[J].航空学报,2008,29(1):49-59.KresseN.ChallengesandpotentialofBWBconfiguration(resultsoftheprojectVELA–VeryLargeAircraft)[R].FifthCommunityAeronauticalDays2006,2006.朱自强.现代飞机设计空气动力学[M].北京航空航天大学出版社,2005.高峰.翼身融合体飞机的外形设计与气动改进[D].南京航空航天大学,2009.蒋瑾,钟伯文,符松.翼身融合布局飞机总体参数对气动性能的影响[J].航空学报,2016,37(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