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雨辰号高速民航机

http://www.sina.com.cn  2008年10月08日 15:36  新浪航空
“雨辰”号高速民航机三视图
“雨辰”号高速民航机三视图

“雨辰”号高速民航机效果图
“雨辰”号高速民航机效果图

  世界人口的增长、现代经济的发展、国际交往的频繁以及旅游事业的发展,使民用航空持续地高速发展。从20世纪60年代初期出现喷气航空技术后,航空旅客数目差不多每隔10年就增加约3~4亿,1987~1988年的载客量首次突破了10亿,按照这种速度估计今后的发展将如下图所示。这就必然对民机的数量和性能都提出了更高的要求。下图给出了波音、空中客车等飞机公司以及俄罗斯对21世纪初民用机需求数量的预估。虽然他们对市场需求的估计在数量上存在相当大的差异,但都反映了对民用干线机的巨大需求。因此,不断改进现有的亚声速干线机的质量,并研制更高性能的新型号是近期民用航空工业技术发展的主要方向与重点。

  根据现在客户的要求(更快、更高、更远、更舒适、更安全、更安静——起降噪声更小),现提出一种新型的高速民航机(High Speed Civil Transport,简称HSCT)——“雨辰”号高速民航机。

  在交通运输方面,HSCT拥有以下特色:

  1.把目前的越洋飞行时间缩短至40~50%。波音747的巡航速度为0.84马赫,HSCT则是2.4马赫,两者约为1:3,这意味着HSCT仅需1/3的时间就可完成波音747的旅程﹔实际上加入起降与爬升的时间损耗后,HSCT也费不到1/2的时间。

  2.能将250~300位乘客载送至6500海里外的地方。这样的运输量虽然不能和波音747-400的400位、7300海里相比,但两者的市场需求完全不同;航空公司订购HSCT的目的是服务想快速到达远处的旅客,这并不是波音747可以提供的。反过来看协和号,它只能搭载100位乘客飞行3500海里,根本无法与同性质的HSCT相抗衡。而且波音公司也为HSCT预留发展空间,借由气动力外形、推进系统和结构技术的更新,将有足够的潜力来提高载客量或最大航程。

  3.可在现有机场起降,不必另行开发专用机场。一般人往往不知道机场条件对民航机设计工作的影响有多么重大!其实──跑道土质的荷重强度是飞机最大起飞重量的上限,跑道长度是飞机高升力装置和失速速度的设计关键,翼展长短要考虑机坪宽度……。NASP的潜在问题便是许多机场跑道可能不够长,而无法供其起降之用,必須再与建新机场或扩建旧机场。但現在各国力倡环保,不论是扩建或新建都会造成相当大的民意阻力,其结局将是协和号惨淡经营的历史重演。而HSCT在设计过程中已先订下基本限制,如:最大起飞重量不得超过408600公斤(900000磅)左右、所需跑道最长约为3350公尺(11000尺),这都表示波音公司決定排除万难,使HSCT能在大部分的现有国际机场起降。

  HSCT的技术特点

  1.大半航程是以2.4马赫在18000公尺(60000呎)高空飞行。设计HSCT时曾提出多种构型,从2.4马赫至10马赫都有,而在考虑旅程时间效益、技术风险、系统复杂难度、环保因素以及发展时程长短之后,初步认为2.4马赫构型是最合适的方案。由于与空气高速摩擦,机身外层的温度相当高,若以铝来制造HSCT,必然无法承受长期高温而宣告烧毁,所以选择钛合金为主要材料。也许您会怀疑:钛那么重,为何不用复合材料呢?关键因素在于现有的复合材料比不上钛来得耐热,不过许多研究单位正进行耐热复材的开发工作,如果情况令人满意(制造成本、可靠度),也许能及时为HSCT换新裝。另外,先进的合金材料或是复材与金属的混合体也可列入考虑。

  2.所用发动机的单发静推力为13500~18000牛顿(60000~80000磅),并将在翼下装设4发。发动机可能为涡轮喷气、涡轮风扇型或可变循环型(前两者综合),而非冲压发动机或者火箭。这种超大推力、技术先进(例如稍后所述的两段式燃烧法)的发动机,不仅对负责进气道设计、发动机本体或控油器等相关附件的航天制造商构成一大挑战,其结果也必然会对未来推进系统的发展工作造成深远的影响。

  然而,众所周知第1代超声速民航机----协和号,在英法方面的努力下,“协和”原型机于1965年开始制造,法国组装的第一架协和001飞机于1967年12月11日出厂,并在1969年3月2日,协和客机实现了首次试飞,并在同年10月1日进行的第45次试飞时突破了音障。英国组装的第一架协和002飞机也于1969年4月9日首飞,共有18家航空公司随后承诺订购77架“协和”,当时协和风光了好一阵子,英法两国雄心勃勃,计划制造1370架“协和”。但这一设想很快就由于“协和”的三大弱点而破灭。

  协和号存在的三大致命弱点:

  (1)油耗高,航程短,载客量少。协和号的4台发动机起飞时每分钟即消耗1.5t燃油,满载燃油的最大航程仅6000km,载客仅100人。由于不能飞越太平洋,只能每天安排一个跨大西洋的航班,24年的累计飞行次数不及全球B-737一周的飞行次数,且每年亏损4~5千万美元。因此,从商业竞争角度看协和号是失败的。

  (2)噪音大。除噪音对地面产生不良影响外(许多国家限制协和号飞越该国领空),其起飞噪声达119.5分贝,进场噪声达116.7分贝,均超过FAA规定的三级噪声(小于108分贝)。

  (3)巡航飞行在18000m以上的同温层,排出的废气直接对臭氧层造成破坏。

  “雨辰”号飞机根据上述协和号的三大致命弱点提出以下设计要求:

  1.飞行安全性:随着每架飞机载客量的加大,更需减少事故的发生,提高飞行安全性。飞行安全性固然与飞机的系统设计、总体设计、气动特性、飞机的结构、寿命、发动机的可靠工作等密切相关,飞机控制自动化程度的提高也起着十分重要的作用,除目前已实现的自动失速报警、起飞时发动机事故补救系统、减缓静和动载荷的主动控制等外,还需实现飞行剖面的全自动化,使用能根据对飞行状态的估计向飞行员及控制系统提出建议的专家系统。

  “雨辰”号主要采用前鸭翼、无尾式布局和V型尾翼气动布局,“雨辰”号采用前鸭翼的优点主要有:

  1.有利于减小配平阻力和提高配平能力。

  2.有利于对重心进行合理的安排。

  3.超声速阻力较小。

  4.有良好的操纵性。

  5.低空的驾驽性较好,有利于突风缓和系统的应用。

  6.有利于矢量推力控制的应用。

  采用无尾式布局,副翼兼顾了平尾的作用。省去了平尾,可以减少飞机的重量和阻力,使之容易跨过音速阻力突增区,另外,它的结构和制造也较为简单,结构强度和刚度特性好。

  “雨辰”号采用V型尾翼不是为了能够像F-22那样隐身,由于“雨辰”号采用无尾式布局(无平尾)和S形前缘机翼,这样会导致纵向特性不好。而采用V型尾翼可依靠其分力提高飞机的纵向操纵能力。

  粗略观之,“雨辰”号主要采用前鸭翼、无尾式布局和V型尾翼气动布局,但仔细观察会发现“雨辰”号的后段部分如同B-2的飞翼(翼身融合体)布局形式,只是机头向前拉长了许多,这样不仅有了前鸭翼、无尾式布局的优势,而且还集结了飞翼(翼身融合体)布局形式的优点。

  “飞翼(翼身融合体)”布局形式的优点有:

  (1)气动载荷的分布最佳,不仅减小了传统布局翼身间的干扰阻力和诱导阻力,从而减小了飞机的总阻力;而且也减小了气动升力产生的机翼弯曲力矩,从而可减轻结构重量,使整个飞机结构减轻。

  (2)空气动力效率高,K =25~30,仅此一项改善即可使飞机的使用成本降低30%。

  (3)有效空间大,改变常规布局的机身载客,使座位数可达500~600(三级布局)或960~1000(单级布局)。

  (4)由于发动机安置于飞翼后部,可通过发动机与边界层的相互作用进一步提高飞行效率。

  采用折动机翼

  理论上此折动机翼有三种好处(高速时):使翼尖起到部分垂直安定面作用,有助于“雨辰”号的方向安定性。超音速时,可抵消其上反角效应。破坏翼面后部所产生的部份升力,避免升力中心过度向后移动,使飞机趋于稳定。

  “雨辰”号的翼尖在高速飞行时翼尖可垂下 25 度至 65 度。即在某种高速下,一种适当形状的物体可使音障形成的激波撑起物体,如同冲浪快艇般的乘波奔驰,其巨大体积恰使激波形成向上的压缩空气,能被机翼捕捉,从而提供了免费升力。

  2.旅客舒适性:具有不同等级的客舱,加大座位尺寸,增多过道,甚至提供卧铺,提供更多的娱乐方式和工具等。

  “雨辰”号机舱配备了迄今为止为客机研发的最先进的机上娱乐系统,光纤配电网络使电影、视频游戏和电视节目的选择更加灵活、更加完备。有更多的开放空间,比如商务中心。底舱可选择为设置休息区、商务区、酒吧或其它的娱乐区,按照不同航空公司的需求,还可安排其他设施,如理发店、卧铺、赌场、按摩室或儿童游戏场,在飞机上乘客还可以使用便携电脑和打电话。2000 座的“雨辰”号是迄今为止建造的最先进、最宽敞和最高效的飞机。

  上图为“8”字形横截面机身与“雨辰”号横截面机身对比图,如图中“雨辰”号内设有三层客舱,底层客舱处在机身中线下方,采用3-3-3-3-3布置,每排可乘坐15名旅客;中层客舱设在机身最宽处,采取3-3-3-3-3-3布置,每排可乘坐18名旅客;上层客舱采用3-3-3布置,每排可乘坐9名旅客;这样如果三层客舱各设置50排座椅,载客量将达2100名,可见其容量之大。

  3.环境性:降低噪声水平和减少发动机排放的污染物。

  “雨辰”号采取了多种措施来降低噪声水平。一是摒弃机翼尾部可以偏转的襟翼,从而消除起飞和降落时噪音的一个主要来源。襟翼是一种辅助翼,主要功能是增加空气浮力或阻力。二是它的引擎将装置在机身内,而不像传统飞机那样装置在机翼部位,这样可以降低传到地面的噪音。此外,这种喷气式飞机引擎的喷射管大小将可以调节,以便在飞机起落时减缓喷气推力,而飞行中途则加力高速飞行。

  “雨辰”号的中央升力体设计改善了飞机的低速性能,其弯曲前缘协助该无尾飞机在气动力上达到平衡,并提供了低的进场速度且巡航性能的损失最小。前缘下弯可提供高升力且无前缘缝翼所产生的噪声,取消襟翼消除了一个集中的机体结构噪声源,但是需要有一个大的机翼面积和大迎角来达到低进场速度。一对分开的升降副翼在飞机进场时打开,并展开后缘刷,后缘刷消散了尾流紊流并降低了噪声。另外,整流的起落架降低了高频噪声,并通过部分地密封起落架轮轴和机轮来降低中频噪声。

  由于在采用整流式起落架并取消常规襟翼的同时也消除了用于飞机进场减速的阻力源,还要设法使“雨辰”号进场时能产生符合静音要求所需的减速阻力,这将通过偏转升降副翼和推力矢量以提高诱导阻力来实现。与此同时,相应产生的大进场迎角将遮挡驾驶员的视线,因此需要用一个座舱显示器来提供飞行员对跑道的观察视野。

  “雨辰”号静音操作的问题,主要是飞机起降时对机场周边地区的噪声影响,主要解决措施是提高在机场周边地区时的飞行高度并降低飞行速度。

  4.全天候运行的能力。

  5.运行经济性。

  假设噪声规则和机场着陆费用出现适中的和重大的变动条件下,将“雨辰”号与波音767、787、一种2020年的客机方案和“雨辰”号的经济性作了对比。研究结果表明,“雨辰”号在售价1.6亿美元的情况下,并在任何噪声规则情形下都比其它机型更能盈利;在最严格的噪声规则情况下,“雨辰”号是唯一盈利的机型;即使维修成本高出30%,“雨辰”号仍比波音787更盈利。

  最重要的是机体设计,飞机速度越快,产生的噪音就越大,设计者因此采用了翼身融合设计——机翼和机体成为统一的整体,用整体三角翼和无尾翼设计取代了传统的圆柱机身加机翼组合,由于大三角翼能提供更多升力,飞机因此可以在较低速度下起降,从而降低噪音。

  这种设计在另一个优势是节省燃料,在消耗同样多燃料的条件下,“雨辰”号能比波音777客机多出30%的运力(以人公里计)。

  “雨辰”号这种"合成翼"设计方案是,发动机放在机尾上部的一个大舱里,燃料箱和机翼实现一体化设计,乘客区位于前舱。他们希望这种飞机具有与波音747飞机类似的经济价值。

  推进系统特点

  “雨辰”号采用超燃液氢发动机,这种发动机是涡扇喷气发动机和液氢发动机的组合发动机,它具有结构简单、重量轻、推重比高、废气污染低等优点。

  “雨辰”号采用内埋的推进系统通过机体结构的屏蔽,实际上消除了发动机在地面时的前向噪声。高出机体表面的进气口可吸进中央机体的边界层流以改善推进效率并降低燃油消耗。分布式推进则允许使用小直径风扇和在发动机前后使用隔音内衬。

  “雨辰”号的超燃液氢发动机尾喷管形状可调使得飞机进场时能完全打开尾喷管,从而获得超低发动机速度和理想的推力,并降低了后向风扇噪声。

  为降低引擎传到地面的噪音,飞机的引擎将装置在机身内,而不是像传统飞机那样装置在机翼部位。此外,这种喷气式飞机将装备一部大小可以调节的引擎尾喷管,以便允许飞机在起飞和降落时减缓喷气推进,并允许飞机以更高的速度高效率地巡航飞行。

  三、关键技术及其挑战

  “雨辰”号的关键技术包括:能进行低速进场和高效率巡航的曲面中央升力体;一个内埋、分布式推进系统,包括超高涵道比发动机以及可调推力矢量尾喷管;机翼上无常规襟翼,其下弯的前缘可以平滑地展开,升降副翼带后缘刷以降低进场时的噪声;经过整流的起落架可以消除噪声源。

  该研究计划下一步需要解决的技术挑战包括,客舱设计、推进系统/机体结构一体化、非圆形截面气密舱、可调/推力矢量尾喷管以及低速空气动力学。其它方面的技术担忧还包括边界层流引起的畸变,解决途径集中在推进系统设计上。另外,整流的起落架带来的重量、冷却和检修问题也需要考虑解决。

  “雨辰”号的基本技术参数

  翼展:28.6~30.8米

  机长: 66.6米

  高度:16.6米

  最大起飞总重:986000千克

  最大载重量:296000千克

  动力装置:4台超燃液氢发动机

  巡航速度: 2.66马赫

  货舱容积:268.5立方米

  载客量:2000

  最大航程:18600公里

  起飞距离:2000米

  着陆距离:1600米

  起飞噪音:98.6分贝

  进场噪音:89.3分贝

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