《航空周刊》2015年7月7日刊文分析介紹未來的飛機(jī)面臨的挑戰(zhàn)。為了減少油耗和CO2排放,渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)的涵道比越來越大。
這給飛機(jī)設(shè)計(jì)師帶來一個難題,他們需要找到辦法解決在飛機(jī)上安裝越來越大的發(fā)動機(jī)。如果吊裝在機(jī)翼下,起落架就要變得更長、更重。還有就是更大的發(fā)動機(jī)短艙阻力和屏蔽發(fā)動機(jī)噪聲。
當(dāng)他們?yōu)橄乱淮鍧嵃l(fā)動機(jī)思考飛機(jī)布局時,有效集成超高涵道比發(fā)動機(jī)的選擇范圍很窄。要么裝在飛機(jī)的機(jī)翼上,要么就裝在后機(jī)身上,即屏蔽噪聲又減降阻力。
將發(fā)動機(jī)安裝在機(jī)翼上方,與常理相悖,存在機(jī)艙與氣流干擾的不利因素。不過本田的輕型公務(wù)機(jī)采用了這種方式。洛克希德•馬丁公司通過計(jì)算分析認(rèn)為其翼身融合體(HWB)飛機(jī)概念的機(jī)翼后緣是最佳位置,比機(jī)翼下或機(jī)身后部都好,即使采用羅羅公司的巨大的超級風(fēng)扇齒輪傳動渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)。
嵌入發(fā)動機(jī)吞咽機(jī)身邊界層實(shí)現(xiàn)減阻的ONERA的NOVA概念
一個HWB模型將在美國航空航天局(NASA)蘭利研究中心的跨聲速風(fēng)洞于七月份進(jìn)行測試,試圖來確認(rèn)計(jì)算結(jié)果。同時,NASA與德國航空航天中心(DLR)簽署了一份協(xié)議,基于翼上和翼下渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)的虛擬機(jī),使用DLR此前利用VFW614(它有翼上發(fā)動機(jī))獲得的聲學(xué)數(shù)據(jù),生成高保真的噪音預(yù)測。
俄羅斯著名的空氣水動力學(xué)(aerohydrodynamic,或稱地效)研究所(TsAGI)最近完成的采用大直徑渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)安裝在減小后掠角、降低層流阻力的機(jī)翼后緣的短途客機(jī)設(shè)計(jì)的風(fēng)洞試驗(yàn)。 TsAGI說這種構(gòu)造降低了噪聲和起落架的重量,并通過保護(hù)發(fā)動機(jī)免遭跑道外來物損傷,提高了安全性。
法國航空航天研究中心(ONERA)正在為2025時間框架研究新的節(jié)油設(shè)計(jì)的中程客機(jī),項(xiàng)目的資助方是法國國家研究署,旨在解決一體化超高涵道比發(fā)動機(jī)的挑戰(zhàn)。2017年和2018年,下一代ONERA通用飛機(jī)(NOVA)項(xiàng)目的兩個候選構(gòu)型的風(fēng)洞試驗(yàn)將達(dá)到高潮。
NOVA是一架180座級,名義用來替換空客A320的飛機(jī)。一種設(shè)計(jì)是發(fā)動機(jī)仍然安裝在機(jī)翼下方,但機(jī)翼內(nèi)側(cè)增加上反角后形成一個“鷗型機(jī)翼”,以容納更大的渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)而不加長起落架。其它的設(shè)計(jì)是發(fā)動機(jī)嵌入在尾部,在那里發(fā)動機(jī)吞下流過機(jī)身的低能量附面層氣流和重新激勵減少阻力。
在X-飛機(jī)演示樣機(jī)將是一架Tecnam P2600T輕型雙活塞式飛機(jī)改裝成分布式電推進(jìn)翼
NOVA選擇的齒輪傳動渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)(GTF),巡航時涵道比為16,而A320neo上的普惠PW1100G(也為GTF)的只有12。因?yàn)榧俣ㄔ?025年服役,ONERA自我限制機(jī)身和低機(jī)翼配置,但引入了幾個創(chuàng)新,包括與波音767的2-3-2座位布局相同的雙通道機(jī)身。
為了承受增壓載荷,橢圓截面結(jié)構(gòu)較重,但與單通道相比更寬的機(jī)身截面使長度縮短了14%,所以代價并不大。因?yàn)闄C(jī)身寬,ONERA決定讓機(jī)身產(chǎn)生升力。項(xiàng)目受到Mark Drela D8的啟發(fā),它是美國麻省理工學(xué)院(MIT)為美國航空航天局開發(fā)的2035年時間框架“雙氣泡”客機(jī)概念。
ONERA選擇了高的展弦比13和更有效的向下導(dǎo)向的傾斜翼尖。在鷗翼設(shè)計(jì)中,內(nèi)側(cè)部分的上反角是12度、外側(cè)為5度。這樣節(jié)省了50厘米(20英寸)的主起落架長度和250公斤重量。內(nèi)側(cè)大上反角增加機(jī)翼重量125公斤,而總體上重量卻是節(jié)省的。
鷗翼設(shè)計(jì)的其他特征是重量減輕的V型尾翼,窈窕的發(fā)動機(jī)短艙帶一個更低的唇口向前指向、用以減小來自未屏蔽的發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇噪聲的“負(fù)圍巾”式進(jìn)氣道。 ONERA看到,使用GTF的變截面風(fēng)扇排氣口,在巡航時提供一個小的推力矢量角,減少尾部負(fù)升力帶來的配平阻力。
邊界層吞咽(BLI)構(gòu)造類似于MIT的D8,但有一個常規(guī)T尾。根據(jù)NOVA研究,將與MD-80后機(jī)身尾吊UHBR發(fā)動機(jī)為參照的布局作比較。在BLI設(shè)計(jì)中,渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)體的40%埋藏在后機(jī)身中。GTF發(fā)動機(jī)具有相同的風(fēng)扇直徑和噴口面積,但相比于所吸入的較低的空氣流量,進(jìn)氣道過大。為了匹配進(jìn)氣道的坡道,短艙較長。
推進(jìn)機(jī)身概念由風(fēng)扇在尾部吞咽機(jī)身邊界層并對其加入能量。
BLI布局的研究一直在進(jìn)行,以確定設(shè)計(jì)的阻力、重量和效率影響。ONERA也在研究一個變裕度風(fēng)扇,能夠工作時部分浸沒在邊界層氣流中,風(fēng)扇噴口工作狀態(tài)不會出現(xiàn)沖擊波。在巡航時,風(fēng)扇噴口通常會受到?jīng)_擊,而在外部發(fā)生的事情不會影響到內(nèi)部。但UHBR的風(fēng)扇壓比是太低,外部的空氣動力會與風(fēng)扇偶合。