31 1 大型飛機概念創新舉例
(1) BWB2C型翼布局 [ 24233 ]
在萊特兄弟的人類首次動力飛行 43年后 ,第一架大型噴氣轟炸機 B247于 1947年研制成功 ,再經過 43年努力的 1991年 ,先進的 MD211大型運輸機問世。從 B2707到 MD211等機型 ,民機發
表 2 亞聲速民機發展計劃和目標 Table 2 List of projects and their targets for subsonic passenger aircraft
技術特點 布局形式 發動機 代表機型 /發動機
目前領先水平 高效、減噪、減污、低油耗 常規 高涵道比 HB A380、B787/ Genx、瑞達 900、GP7200
2015年前 高效、低噪、低污、低油耗 常規 /非常規 超高涵道比 U HB 代替 A320、B737的窄體雙發機型 /涵道比 13～16
2020年 高效率、靜音、綠色、低油耗 非常規 超高涵道比 U HB BWB、BWB + C/評估中
圖 7 圖 6對應的第 3層質量屋
Fig1 7 The third quality house corresponding to Fig1 6
展了約 30年 ,傳統布局已十分成熟 ,但氣動效率機 B2787和 A2380上也未幸免 ,由于飛機大型化 ,變化不大 ,氣動航程因子 M Kmax 30年間始終在 15翼展顯著增大 (A3802100翼展為 791 8 m),但受附近徘徊 [24] ,見圖 8。這種氣動效率提高不明顯結構強度限制 ,展弦比反而下降為 71 53 ,導致最的現象在新近推出的、幾近達到完美的超大型民大升阻比 ( Kmax )和 M Kmax并未明顯提高。
圖 9 波音對 BWB的方案評估結果 Fig1 9 Evaluation results of Boeing for BWB
(2)大載重浮升式飛機 [34236 ]
大載重浮升式運輸飛機是一種結合靜升力和動升力原理的新概念飛行器 ,它是一種 “混合式飛艇” ( Hybrid Airship) ,即融合了飛艇的靜升力原理和飛機的動升力原理 ,希望能綜合飛艇經濟性好、載重量大、航程長的優點和飛機速度快、易操縱的優點 ,得到一種性能介于飛艇和飛機之間的一種新概念飛行器。
大載重浮升式飛機的主要用途是 :①邊遠地區的大宗貨物運輸 ;②大型設備的整體運輸 ;③中小城鎮間的快速運輸 ;④突發災害時的救援運輸等。
這些運輸方式對傳統運輸方式如公路鐵路及飛機航運提出了重大的挑戰。此時傳統的運輸通道或者無法建立 (如在沒有建設鐵路、公路、機場等的邊遠地區 )、或者建設不具備經濟效益 (如臨時性的運輸任務 )、或者傳統運輸通道遭破壞等 (如地震與洪水等災區 )。
方面對各類飛行器進行了分析比較。表中評分滿
分為 5分 ,從表中可以看出 ,無論從經濟性、安全性 ,還是從載水量和航程 ,大載重浮升式運輸機性能均優于傳統的直升機、固定翼飛機和水上飛機。不僅如此 ,新概念的大載重浮升式運輸機布局在油氣田開發等其他民用領域也表現出了優于傳統布局的良好性能。隨著該技術的發展 ,大載重浮升式運輸飛機將可能在民用運輸領域發揮重要作用。8%源于選用先進復合材料帶來的減輕結構重量的結果。另外 ,A380的機身蒙皮除采用先進的鋁合金材料外 ,還采用了一種由鋁材和碳纖維制造的新型層制復合材料 ,這種新型層制材料是經過大量的試驗后 ,才被用做 A380上部機身蒙皮的 ,使用該材料不僅比用鋁材料重量可減輕 800 kg,而且還具有很好的抗疲勞、防火、抗損傷性能。 800 kg相當于 8位乘客及其行李的重量 ,以從西安到北京的航班為例 ,每架飛機一年可由此帶來的經 濟效益粗略估計如下 : 800/ 100 (乘客及行李 ) × 1 000元/人× 4(每架飛機每天的往返數 ) ×300天/年 = 960萬元。
(3)能源動力的精細化設計 美國波音公司計劃在 B737飛機上驗證一種基于燃料電池的輔助動力裝置 (APU ) ,并可能在 2010年以后在民用飛機上采用。同時發展的還有基于固態氧化物燃料電池 ( SOFC)的先進的 A PU。波音公司預計 ,這種電池可使效率提高 45 %。相當于一架典型的 B777飛機每年可節省 340 500 kg的重量 ,一架典型的 B737飛機每年節省 1 360 000 kg的重量。預計 ,燃料電池技術將在 2010年左右完全研制出具有全球市場競爭力的客機 ,必須提高目前沿用的軍用飛機的非精細化設計手段。
總體設計方案的好壞對飛機整體性能有著決定性的影響 ,新研制飛機的技術風險 80 %在于總體設計。我國要實現大型民機的跨越式發展 ,飛機總體綜合優化設計技術是一個關鍵問題。資料顯示 ,波音公司和空中客車公司已開始將飛機多學科綜合優化設計技術運用于新型號的研制 ,并將該技術作為新一代大型民用飛機的關鍵技術投入了大量的人力和物力進行研究。例如 ,在美國 NASA的亞聲速固定翼研究計劃 (Subsonic
)中也
合優化設計水平 ,使得所研制的飛機在降低噪聲和環境污染的同時 ,能有更高的能源利用率和更優的性能。
在未來大型客機研制中 ,多學科精細設計將發揮越來越重要的作用 ,它是提高大型客機經濟性的重要手段。
圖 14 SFW計劃框圖
Fig1 14 Flowchart of SFW project
總之 ,概念創新和多學科優化精細設計是提高大型客機安全性/經濟性/舒適性/環保性的重要手段和技術實現途徑。二者相輔相成 ,密不可分。概念創新有利于飛機更新換代 ,而多學科精細設計有利于充分挖掘某一新概念布局在安全性/經濟性 /舒適性 /環保性方面潛力。
4 結 論
建立大型客機安全性、經濟性、舒適性和環保性總體設計思想以及相應設計評估準則體系 ,在不同的設計階段徹底貫徹該設計準則體系非常重要。概念創新是大型客機實現跨越式發展的必由
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