洛克希德·马丁“混合翼身布局概念”浅析

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 洛克希德 马丁“ 混合翼身布局概念” 浅析 2014 年 2 月 18 日，美国航空 周刊报道了洛克希德马丁公司提出 的混合翼身布局概念（Hybrid Wing- Body， HWB） 。HWB 布局是一种翼身 融合体布局与常规布局相结合的混合布 局，其机体前部分采用翼身融合体布局， 机体后部分采用常规后机身加尾翼布局。 HWB 布局最大的特点是空气动力效率 高、燃油消耗率低。据洛克希德马丁 公司估计，HWB 布局飞机的空气动力 效率要比 C-17 运输机高 65%，比 C-5 高 30%，在低马赫数下比波音 787 高 5%。 如果飞机采用双发 HWB 布局，该飞机 在有效载重为 100 吨的情况下，其起飞 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 距离可小于 1980 米，飞行距离可达 5900 千米，其燃油消耗可比 C-17 运输 机降低 70%。 中国论文网 /8/view-12746217.htm HWB 概念的提出背景 为了寻求能显著提高运输机空气 动力效率和能效的气动布局，美国空军 研究实验室（AFRL ）在 2009 年启动了 “提高能效的革命性布局 ” （Revolutionary Configurations for Energy Efficiency，RCEE）项目。该项 目提出的目标是，寻求先进启动布局技 术，要能够将当时的燃油消耗降低 90%、空气动力效率提高 30%，且新技 术能在 20302050 年投入使用。RCEE 项目分 2 个阶段进行，第 1 阶段为 20092011 年，目标是确定燃油消耗比 现在降低 90%的下一代空中运输机布局； 第 2 阶段为 20112015 年，对所确定 的新型气动布局技术进行深入研究。 波音公司在第 1 阶段提出了由多 种构型组成的混合空中运输编队，包括 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 有：有效载重为 20 吨的桁架式机翼全 电推进运输机设计；有效载重为 40 吨 的分布式混合电推进运输机设计；有效 载重为 100 吨的翼身融合体混合电推进 运输机设计。上述设计均能满足燃油消 耗降低 90%的要求。在第 2 阶段，波音 公司将集中研究分布式推进和混合电推 进技术。 洛克希德马丁公司为了达到燃 油消耗降低 90%的目标，在项目第 1 阶 段对飞机各种气动布局和技术进行了大 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 有巨大潜能。因此洛克希德马丁公司 提出了 HWB 布局概念。在项目的第 2 阶段，洛克希德马丁公司进一步细化 了 HWB 布局。 HWB 布局飞机的总体设计特点 分析 HWB 布局飞机具有较高的空气 动力效率和结构效率，并且可以像常规 布局运输机一样在空投和空运时利用尾 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 翼控制飞机的重心。HWB 布局飞机的 气动设计有以下几个特点： 机体前部采用翼身融合体布局 大量研究表明，翼身融合体 （BWB）布局具有高效的气动效率， HWB 布局继承了 BWB 布局的气动优 势，机体前部也采用了翼身融合体布局， 这样可以减小阻力、增加升力、增加机 体内部容积。飞机阻力主要包括摩擦阻 力和诱导阻力。摩擦阻力与浸润面积相 关，浸润面积越小摩擦阻力越小，在定 容积情况下，与常规布局相比，HWB 布局可以减小浸润面积，从而减小摩擦 阻力。HWB 布局机身与机翼相互融合， 可以有效减小常规布局中机身对机翼的 气动干扰，从而减小气动阻力。此外， HWB 布局可以在不增加机翼重量的情 况下增加翼展，展弦比可以由常规布局 的 9 增加到 12，从而减小诱导阻力。 HWB 布局机身比常规布局更加扁平， 整个机体是一个升力面，可以大大增加 飞机的升力。HWB 布局的扁平机身与 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 机翼根部内部有足够的装载空间，可以 进行大批次和特殊货物的运输。 机体后部采用常规后机身加尾翼 布局 HWB 布局飞机的机体后部采用 常规后机身加尾翼布局，可以防止运输 机在空投时发生重心突变，并且具有良 好的操纵性。空投能力是军用运输机的 重要技术指标之一，运输机在实施空投 任务时其重心会发生突变，甚至超出前、 后限，这就需要通过操纵飞机的舵面来 控制飞机的稳定性。HWB 布局飞机可 以通过尾翼来控制飞机，虽然与飞翼布 局相比，T 型尾翼会增加 5%的诱导阻 力，但在执行空投任务时尾翼可以利用 鲁棒控制保持飞机重心在 20%平均气动 弦内。这对于完全采用 BWB 布局的飞 机则是一个很大的技术挑战，因为 BWB 布局的控制响应是非线性和高度 耦合的，为了控制飞机，BWB 布局飞 机必须同时控制多个操纵面。此外，有 了常规尾翼后，HWB 布局飞机可以实 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 现短距起降，并且飞行员可以像操纵 C- 5 和 C-17 运输机一样容易操纵 HWB 布 局飞机。 发动机安装在机翼后缘上方 一直以来，飞机设计都避免发动 机安装在机翼后缘上方，因为这种安装 方式在跨声速时会引起机翼不利干扰， 但 HWB 布局飞机的设计者提出将发动 机通过支柱支撑的方式安装在机翼后缘 上方。他们认为发动机安装在机翼后缘 上方有利于提高升力和升阻比、减小进 气道畸变、降低噪声。洛克希德马丁 公司对发动机安装在机翼前缘，机翼后 缘以及前机身位置时的巡航干扰阻力进 行了研究。研究结果表明，发动机短舱 安装在机翼后缘上方有利于提高升阻比， 并且发动机安装在机翼后缘上方比发动 机安装在机翼下的空气动力学效率要高 5%。从增升角度看，将发动机安装在 机翼后缘上方，发动机吸入的气流可以 为机翼提供很大的吸升力，这可使最大 升力系数增加 15%。这种增升原理与 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 C-17 运输机翼下形成高压区的增升原理 类似：C-17 运输机将发动机安装在机翼 下面，翼下发动机喷出气流会打到下偏 的襟翼上，从而在翼下形成高压区进而 起到增升作用。从进气道效率来看，将 发动机安装在机翼后缘上方，发动机短 舱前面长长的翼弦可以起到气流导向器 的作用，从而减少进气道畸变。从噪声 角度来看，将发动机安装在机翼后缘上 方，机翼可以阻挡发动机噪声，从而有 效地减少喷气发动机噪声对地面的影响。 HWB 布局的主要技术问题是结 构问题 常规布局的机身为圆柱形机身， 机身内部的压力均匀分布，容易保持机 身内部密封。但 HWB 布局的机身为扁 平机身，这将使结构承受更大的压力载 荷，再加上要承载机翼弯曲载荷，所以 HWB 布局会存在结构问题。这是 BWB 布局的共性问题，采用 BWB 布局的 X- 48 也面临同样的问题，经过研究 NASA -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 的研究人员提出采用复合结构来解决这 个问题。 对 HWB 布局的几点看法 NASA 和波音公司对 BWB 布局 进行了大量研究，其研究结果表明， BWB 布局与常规布局相比，可以显著 提高空气动力效率，降低燃油消耗，但 BWB 布局面对一个很大的技术挑战， 那就是飞行控制问题。洛克希德马丁 公司提出的 HWB 布局很好地继承了 BWB 布局的高效率气动优势，绕开了 BWB 布局的飞行控制问题，可谓是一 种革命性气动布局。其发展前景如下： HWB 布局有可能成为美军下一 代军用运输机优先选择的气动布局。 首先，HWB 布局是针对军用运 输机提出来的，HWB 布局概念考虑了 运输机货物装载和空投时重心突变等问 题。 其次，按照计划 C-17 运输机将 在 2033 年开始退役，C-17 运输机的研 制花费了 21 年，所以现在是美国开始 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 着手研制下一代运输机的时候了。从气 动效率角度看，BWB 布局最有望成为 美军下一代军用运输机的优先气动布局， 但是 BWB 布局的控制问题现在仍然没 有得到解决，而机体后部采用常规尾翼 布局的 HWB 布局规避了 BWB 布局存 在的控制问题。所以 HWB 布局有望成 为美军下一代军用运输机优先选择的气 动布局。 HWB 布局有可能成为未来民用 客机优先选择的气动布局。民用客机要 求经济性、安全性和静音性好。据洛克 希德马丁公司估计，HWB 布局