31 1 大型飛機(jī)概念創(chuàng)新舉例
(1) BWB2C型翼布局 [ 24233 ]
在萊特兄弟的人類首次動(dòng)力飛行 43年后 ,第一架大型噴氣轟炸機(jī) B247于 1947年研制成功 ,再經(jīng)過 43年努力的 1991年 ,先進(jìn)的 MD211大型運(yùn)輸機(jī)問世。從 B2707到 MD211等機(jī)型 ,民機(jī)發(fā)
表 2 亞聲速民機(jī)發(fā)展計(jì)劃和目標(biāo) Table 2 List of projects and their targets for subsonic passenger aircraft
技術(shù)特點(diǎn) 布局形式 發(fā)動(dòng)機(jī) 代表機(jī)型 /發(fā)動(dòng)機(jī)
目前領(lǐng)先水平 高效、減噪、減污、低油耗 常規(guī) 高涵道比 HB A380、B787/ Genx、瑞達(dá) 900、GP7200
2015年前 高效、低噪、低污、低油耗 常規(guī) /非常規(guī) 超高涵道比 U HB 代替 A320、B737的窄體雙發(fā)機(jī)型 /涵道比 13～16
2020年 高效率、靜音、綠色、低油耗 非常規(guī) 超高涵道比 U HB BWB、BWB + C/評(píng)估中
圖 7 圖 6對(duì)應(yīng)的第 3層質(zhì)量屋
Fig1 7 The third quality house corresponding to Fig1 6
展了約 30年 ,傳統(tǒng)布局已十分成熟 ,但氣動(dòng)效率機(jī) B2787和 A2380上也未幸免 ,由于飛機(jī)大型化 ,變化不大 ,氣動(dòng)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(dòng)效率提高不明顯結(jié)構(gòu)強(qiáng)度限制 ,展弦比反而下降為 71 53 ,導(dǎo)致最的現(xiàn)象在新近推出的、幾近達(dá)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(duì) BWB的方案評(píng)估結(jié)果 Fig1 9 Evaluation results of Boeing for BWB
(2)大載重浮升式飛機(jī) [34236 ]
大載重浮升式運(yùn)輸飛機(jī)是一種結(jié)合靜升力和動(dòng)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(jī)的動(dòng)升力原理 ,希望能綜合飛艇經(jīng)濟(jì)性好、載重量大、航程長的優(yōu)點(diǎn)和飛機(jī)速度快、易操縱的優(yōu)點(diǎn) ,得到一種性能介于飛艇和飛機(jī)之間的一種新概念飛行器。
大載重浮升式飛機(jī)的主要用途是 :①邊遠(yuǎn)地區(qū)的大宗貨物運(yùn)輸 ;②大型設(shè)備的整體運(yùn)輸 ;③中小城鎮(zhèn)間的快速運(yùn)輸 ;④突發(fā)災(zāi)害時(shí)的救援運(yùn)輸?shù)取?br />
這些運(yùn)輸方式對(duì)傳統(tǒng)運(yùn)輸方式如公路鐵路及飛機(jī)航運(yùn)提出了重大的挑戰(zhàn)。此時(shí)傳統(tǒng)的運(yùn)輸通道或者無法建立 (如在沒有建設(shè)鐵路、公路、機(jī)場(chǎng)等的邊遠(yuǎn)地區(qū) )、或者建設(shè)不具備經(jīng)濟(jì)效益 (如臨時(shí)性的運(yùn)輸任務(wù) )、或者傳統(tǒng)運(yùn)輸通道遭破壞等 (如地震與洪水等災(zāi)區(qū) )。
方面對(duì)各類飛行器進(jìn)行了分析比較。表中評(píng)分滿
分為 5分 ,從表中可以看出 ,無論從經(jīng)濟(jì)性、安全性 ,還是從載水量和航程 ,大載重浮升式運(yùn)輸機(jī)性能均優(yōu)于傳統(tǒng)的直升機(jī)、固定翼飛機(jī)和水上飛機(jī)。不僅如此 ,新概念的大載重浮升式運(yùn)輸機(jī)布局在油氣田開發(fā)等其他民用領(lǐng)域也表現(xiàn)出了優(yōu)于傳統(tǒng)布局的良好性能。隨著該技術(shù)的發(fā)展 ,大載重浮升式運(yùn)輸飛機(jī)將可能在民用運(yùn)輸領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。8%源于選用先進(jìn)復(fù)合材料帶來的減輕結(jié)構(gòu)重量的結(jié)果。另外 ,A380的機(jī)身蒙皮除采用先進(jìn)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(fù)合材料 ,這種新型層制材料是經(jīng)過大量的試驗(yàn)后 ,才被用做 A380上部機(jī)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(dāng)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(jī)一年可由此帶來的經(jīng) 濟(jì)效益粗略估計(jì)如下 : 800/ 100 (乘客及行李 ) × 1 000元/人× 4(每架飛機(jī)每天的往返數(shù) ) ×300天/年 = 960萬元。
(3)能源動(dòng)力的精細(xì)化設(shè)計(jì) 美國波音公司計(jì)劃在 B737飛機(jī)上驗(yàn)證一種基于燃料電池的輔助動(dòng)力裝置 (APU ) ,并可能在 2010年以后在民用飛機(jī)上采用。同時(shí)發(fā)展的還有基于固態(tài)氧化物燃料電池 ( SOFC)的先進(jìn)的 A PU。波音公司預(yù)計(jì) ,這種電池可使效率提高 45 %。相當(dāng)于一架典型的 B777飛機(jī)每年可節(jié)省 340 500 kg的重量 ,一架典型的 B737飛機(jī)每年節(jié)省 1 360 000 kg的重量。預(yù)計(jì) ,燃料電池技術(shù)將在 2010年左右完全研制出具有全球市場(chǎng)競(jìng)爭力的客機(jī) ,必須提高目前沿用的軍用飛機(jī)的非精細(xì)化設(shè)計(jì)手段。
總體設(shè)計(jì)方案的好壞對(duì)飛機(jī)整體性能有著決定性的影響 ,新研制飛機(jī)的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn) 80 %在于總體設(shè)計(jì)。我國要實(shí)現(xiàn)大型民機(jī)的跨越式發(fā)展 ,飛機(jī)總體綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)是一個(gè)關(guān)鍵問題。資料顯示 ,波音公司和空中客車公司已開始將飛機(jī)多學(xué)科綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)運(yùn)用于新型號(hào)的研制 ,并將該技術(shù)作為新一代大型民用飛機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)投入了大量的人力和物力進(jìn)行研究。例如 ,在美國 NASA的亞聲速固定翼研究計(jì)劃 (Subsonic
)中也
合優(yōu)化設(shè)計(jì)水平 ,使得所研制的飛機(jī)在降低噪聲和環(huán)境污染的同時(shí) ,能有更高的能源利用率和更優(yōu)的性能。
在未來大型客機(jī)研制中 ,多學(xué)科精細(xì)設(shè)計(jì)將發(fā)揮越來越重要的作用 ,它是提高大型客機(jī)經(jīng)濟(jì)性的重要手段。
圖 14 SFW計(jì)劃框圖
Fig1 14 Flowchart of SFW project
總之 ,概念創(chuàng)新和多學(xué)科優(yōu)化精細(xì)設(shè)計(jì)是提高大型客機(jī)安全性/經(jīng)濟(jì)性/舒適性/環(huán)保性的重要手段和技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑。二者相輔相成 ,密不可分。概念創(chuàng)新有利于飛機(jī)更新?lián)Q代 ,而多學(xué)科精細(xì)設(shè)計(jì)有利于充分挖掘某一新概念布局在安全性/經(jīng)濟(jì)性 /舒適性 /環(huán)保性方面潛力。
4 結(jié) 論
建立大型客機(jī)安全性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性和環(huán)保性總體設(shè)計(jì)思想以及相應(yīng)設(shè)計(jì)評(píng)估準(zhǔn)則體系 ,在不同的設(shè)計(jì)階段徹底貫徹該設(shè)計(jì)準(zhǔn)則體系非常重要。概念創(chuàng)新是大型客機(jī)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展的必由
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