翼身融合体:一般的飞机是由机翼与机身两个部件接合而成的,在机翼与机身的交接处 , 机身的侧面与机翼表面构成直角(或接近于直角),这样的组合,由于浸润面积大,阻力也较大。
简介
为了减少翼身组合体的阻力,有些飞机在机翼与机身的交接处增装了整流带(亦称整流包皮),使二者间圆滑过渡。在设计上,整流带一般是不承受载荷的,但在
飞行时,它很难不受气动力的影响,因此,往往会发生变形等问题。 后来,研究人员根据翼身整流带的优缺点,提出了翼身融合体的概念,即把飞行器的机翼和机身合成一体来设计制造,二者之间没有明显的界限。 翼身融合体的优点是结构重量轻、内部容积大、气动阻力小,可使飞机的飞行性能有较大改善。后来还发现,由于消除了机翼与机身交接处的直角,翼身融合体也有助于减小飞机的雷达反射截面积,改善隐身性能。 翼身融合体的缺点是:外形复杂,设计和制造比较困难。
内容
波音从90年代开始,研究介于飞翼和筒体-机翼之间的翼身融合体(Blended Wing Body,简称BWB)。从计算、风洞研究和自由飞试验可以推断,对于300座以上的大型飞机而言,BWB可以达到降低油耗50%以上的惊人效果,背部发动机的进气和喷气都受到机体屏蔽,地面感受噪声很低。NASA正在研究四种未来客机构形,BWB就是其中一种,而且是降低油耗和噪音效果最大的方案。
翼身融合体(BWB)在外观上与飞翼很像,但具有明确的中央机体和高度融合的机翼与典型飞翼相比,中央机体明显加厚,宽扁中央机体还可以有纵墙加强。
在结构上,BWB以大大加宽的扁平筒体为基础,机翼在翼根大大加厚,自然、圆滑地融入机体。内部结构依然有明确的机体、翼根和机翼,但外观上浑然一体,机翼与机体没有明显的分界线,与飞翼很难区分。BWB的机翼依然是升力的重要来源,但特别宽大的机体也可提供40%以上的升力,因此对于同样起飞重量的飞机,机翼翼展和翼面积可以大大减小,降低机翼的诱导阻力。
但BWB毕竟是有机体的,机体后端可以延长到机翼后缘之后,扁宽的“燕尾”不仅可以作为安装发动机的位置,也可以安装外倾的双垂尾,不仅有利于维持方向安定性,也对发动机的噪声形成有效的侧向遮挡。在军事上,双垂尾也起到发动机的侧向雷达屏障作用。燕尾还具有较长的力臂,有利于有效的俯仰控制作用,大大改善无尾飞翼的飞控难题。
不过BWB在实用中也有难于解决的问题,否则早就进一步推广了。
BWB用于货运问题还不大,但用于客运的话,机舱布置很不好办,不像传统的纵列的飞机座,倒像横排的剧院座,大量座位在“暗无天日”的中间,非常不舒适。另外,这样的扁平宽大机舱很不容易解决紧急疏散的问题,日常运作的登机离机也不好办。
BWB对于大型飞机有显著的减阻作用,在起飞重量相同的情况下,湿面积显著降低。但对于小型飞机而言,机舱厚度有一定的下限,加上地板下行李-货物空间和起落架,中央体相对肥厚,机翼与中央体的融合就很别扭,也破坏了BWB的最优翼展-中央体厚度的比例,影响气动效率,增加湿面积。缓和过渡的话,翼根过于肥厚,阻力加大;急剧过渡的话,BWB的气动优越性难以体现,实际上回到了筒体-机翼,只是筒体扁宽一点而已。
BWB通常适合大型飞机,但适当优化,也可用于中型平台,与传统的筒体-机翼相比,也有20%的节油能力,特别宽大的地板面积很适合用于布置任务设备,如大型雷达天线。另外,BWB也适合用作加油机。
但是换一个思路的话,地板下空间取消,行李舱/货舱转移到肥厚的翼根内,主起落架也转移到翼根内,这样中央体的厚度可以显著降低,更加便于翼身融合。据报道,小型BWB与筒体-机翼相比,也有至少20%的节油能力,这还是很显著的。与相同起飞重量的筒体-机翼构形相比,翼展也有所缩短,长度则缩短近1/3。
除了节油外,BWB机体宽大,提供了三倍的地板面积,使得机舱布置可以完全转变思路。现有支线客机为了限制起飞重量和运营成本,常在2+2座位和2+3座位之间纠结。2+2的机舱直径小,阻力小,制造和飞机(相对于座-公里)运营成本低,但2+3明显更加舒适。改为BWB的话,前半的公务舱可以1+2+1和2+2+2形式安排宽大座位,后半的经济舱可以沿中央墙分隔成两个3+3的机舱,但每个机舱只有8排座位,走廊长度较短,便于登机离机。公务舱的两侧有通常的机窗,经济舱的两侧是肥厚的翼根,无法开窗,只有开天窗。这样的106座客机在技术上是可以实现的,但在旅客接受程度上还需要磨合,机场设备(如登机桥)和运作(如机位间隔)也需要重新考虑。
但用于军用平台的话,很多民航上难于解决的问题都不是问题。BWB当然可以用于轰炸机或者加油机。BWB比筒体-机翼更加隐身,这不仅对轰炸机具有极大价值,对加油机也越来越重要。加油机越来越成为空中战争体系的重要节点,打掉一架加油机可能造成好几架战斗机因为燃油耗尽而坠毁,或者被迫提前退出战斗,作用比陆战中打掉一辆油罐车而困住一个坦克连还要显著、直接。美国空军已经着手研究下一代加油机,可能将脱离从大型民航客机改装的传统技术路线,专门研制隐身而且具有激光自卫反导能力的先进加油机,BWB正是首选方案。但对中国来说,中型通用平台是更紧迫也更有突破意义的应用,BWB特别宽大的地板面积是特别有用的特点。
BWB宽大的地板也有利于电子战平台的各种天线,足够的物理距离总是为更好的电磁隔离创造条件。用于海上巡逻或者远程空地监视时,宽大地板便于安装各种传感器和观察窗。空中指挥所更是需要地方,才能摆开各种通信指挥控制台。
BWB缩短翼展对舰载飞机更是有特别意义。航母的战斗力在于完整的空中力量单元,预警机是不可或缺的一部分。直升机预警机是没有办法的办法,续航时间、巡航高度、离舰距离、雷达尺寸都受到很大的限制。现在世界上只有美国的E-2是唯一的固定翼舰载预警机,基本设计是50年代的,1960年就首飞了。最新的E-2D换了骨,但是依然没法脱胎,因为航母升降机尺寸限制,也因为翼展不能过大,要避免起飞、降落时与两侧停放的飞机、设备发生碰撞。增加翼展可以带来很多气动、航程、载重上的好处,但要是需要清空两侧飞机才能起降,那就没有出动率可言了。同样重量的BWB的翼展较小,BWB的发动机通常安装在“燕尾”部位,不需要安装在机翼上(像E-2)或者在翼下(像各种民航客机),因此机翼的折叠线可以相应向中轴靠拢,较短的总长更是适合航母升降机的需要。翼根结构肥厚,便于加强,也适合航母起落架需要特别加强的特点。这些特点都使得BWB成为航母舰载中型平台特别值得考虑的方案。
BWB舰载机除了预警机外,还可以有很多应用,比如反潜机、电子战机、加油机,甚至可用于勤务运输,在岸舰之间运送重要物资、设备和人员,或者将急病人转送到岸上医院。