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我们何时能坐上翼身融合客机

2014-07-10 15:09:43

                               我们何时能坐上翼身融合客机

                                       ■ 沈海军 陈贤达

 

当下,美国宇航局(NASA)正联手波音公司开展一项所谓的“环境可信赖航空”研究计划。该计划中包含有一个被称作X-48的子项目,其目标为打造新一代更节能、更安静的民用客机。上图显示的便是一架美国波音公司的X-48原型机。

 

在总体布局方面,传统客机设计中机翼通常是安插在圆柱形机身上的,X-48则完全不同,它在外型上采用了独特的“翼身融合技术”,即整体造型,将扁平、无尾的机身与机翼融合为一体。

 

为了证明翼身融合体设计的可行性,2010年,波音公司先后对X-48飞机进行了多次试飞。据专家称,和传统的客机相比,这种被称为“翼身融合”的设计将显著提高飞机的运载能力和空间、增加飞行航程、减少空气阻力,并降低飞行时的燃料消耗。此外,X-48飞机的发动机安装在机背上,机舱内将变得更安静,也有望大幅度减少对地面的噪音污染。

 

有人可能会问,翼身融合技术真有那么神吗?为什么该项技术现在仍主要用于军用飞机,而并未在民用飞机,特别是客机中普及?

 

 

从整流包皮到翼身融合

 

通常,飞机的机翼机身组合体是由机翼和机身两个部件结合而成,两者在外形上有明显差异,在机翼与机身的对接处表面存在较明显的“拐角”。这样的组合使得机身表面的气流和翼根表面的气流在对接处交汇,并发生相互干扰,从而给飞机带来一种额外阻力。航空学中称之为“干扰阻力”。

 

为了减少翼身组合体的干扰阻力,20世纪30年代,一些飞机在机翼与机身的交接处开始加装整流包皮,以使得二者间圆滑过渡。在设计上,整流包皮的主要目的是使气流更为顺畅,不承受载荷。但在长期的飞行实践中,人们发现,在空气动力的影响下,这些较弱的整流包皮常常会出现变形。

 

考虑到上述翼身整流包皮的优缺点,20世纪60年代,飞机设计师们提出翼身融合的概念,飞机的机翼和机身开始被合成为一个整体。通过翼身融合技术,飞机的阻力和能耗显著减小,同时飞行性能也有了较大的改善。

 

翼身融合技术还带来了另外一个好处,那就是增加了飞机内部的容积。对于运输机来说,这些宝贵的空间可以用来增加空中补给的物资量;对于轰炸机来说,则可以增加载弹量;对于空中加油机来说,则可以用来作为额外的储油箱……总之,翼身融合技术给飞机的有效载荷腾出了更为充裕的加装空间。

 

值得一提的是,由于消除了机翼与机身交接处的拐角,翼身融合体飞机的侦探雷达反射波被削弱,大大改善了飞机的雷达隐身性能。

 

正是由于具有阻力小、节能、内部空间大、隐身等优势,翼身融合技术如今已在现代军用飞机中得到广泛应用,其中包括世界上最先进的战机——美国的F22F35以及我国的最新型战斗机J20等。

 

 

命途多舛的飞翼机

将翼身融合技术发展到极致的,当属飞翼布局飞机。所谓飞翼机,是一种没有尾翼并且机身主要部分融入机翼内的飞机。

 

飞翼机,又称全翼机,其发源地为德国。早在20世纪20年代,德国的沃尔多·沃特曼兄弟就制造出了世界上最早的飞翼机;同样,世界上最先问世的飞翼民用客机以及战斗机也均来自德国。

 

1944年,德国人霍顿兄弟研制出了飞翼布局的喷气式战斗机Go-229,并于1945年完成了首飞。试飞时,该飞机竟达到了800千米的时速和在当时几乎不可想象的16000米的飞行高度。然而,飞翼机的最大缺陷是操控性能极差,尤其是在高速飞行时还会出现一系列严重的稳定性问题,需要依赖电子传感系统控制机翼;所以,在当时的技术水平下,飞翼机在性能上始终无法取得重大突破。

 

20世纪40年代,国际航空界一度掀起了飞翼热,当时,最杰出的代表人物当属美国的飞翼之父——诺斯洛普。诺斯洛普,1895年生,美国知名航空工业家,诺斯洛普公司的创建者和洛克西德公司的创始人之一。诺斯洛普坚信,飞翼机将是飞行器设计的下一个重要阶段。他先后设计了包括N-1MN-9MYB-35 YB-49等型号在内的多种飞翼机。然而,飞翼机生不逢时,在那个飞机电子传感控制系统尚未发展起来的年代里,诺斯洛普的飞翼机在性能上始终不尽如人意。

 

20世纪50年代到20世纪70年代末,飞翼机的发展一度步入萧条期。直到20世纪80年代,作为一种可以大幅度降低雷达反射信号的方式,飞翼技术才再次引起了人们的注意。此时,飞机电子传感控制技术已经取得了长足的进展,加之诺斯洛普生前研制众多飞翼机积累的宝贵经验,美国诺斯洛普公司的B-2幽灵隐形战略轰炸机很快成功问世。

 

1999年,北约首次动用B-2幽灵隐形战略轰炸机对当时的南联盟进行打击,B-2幽灵隐形战略轰炸机一战成名。

 

 

客机能够翼身融合吗

早在1929年,德国就出现了翼身融合客机的实例,那就是容克 G.38。容克 G.38的机身、机翼高度融合,绰号“飞行旅馆”,曾在汉莎航空公司经历过短期的服役。在当时,容克 G.38飞机完全算得上是一架超级巨大的飞机:它能够容纳34位乘客;每个2米厚的机翼内可乘坐6人,其他乘客则被安顿在中央机身内。相比之下,同时期采用传统机翼及箱型机身设计的福特三引擎客机仅能承载9名乘客,载客能力远远小于G.38客机。

 

80多年前,容克 G.38开创了翼身融合民用客机的先河。然而现在,我们仍然难以再列举出哪怕是一两架较为成功也较为知名的翼身融合客机机型。翼身融合技术为何难以在民用客机上取得成功应用呢?我们不妨来分析一下其中的“难言之隐”。

 

先说安全性。翼身融合民用飞机,特别是客机上存在重大安全隐患。传统布局客机,乘客分布于桶状机身的纵向两侧,机身两侧设置有应急逃生出口。这种设计不仅有利于旅客上下飞机,而且在危急时刻也方便将乘客疏散到机体外。而翼身融合客机上的乘客集中在广场式的机身中部,人群疏散非常复杂;加上乘客区很难布置窗户,在逃生方面存在重大隐患。另外,传统布局客机中,旅客位于机身中,油箱主要设置在机翼里,人油相对分离;而翼身融合布局的客机中,若要将机翼的空间也用作客舱,大量的燃油必然要分布在机翼客舱地板下方的油箱里,这对旅客的安全十分不利。

 

再说设计难度。结构上,传统的客机机身通常近似为圆柱形,这种圆形截面的机身作为密闭充压客舱,能承受较大的压力;另外,传统客机的机翼、机身、尾翼等部件可通过分离面相连、对接,也较容易分解,设计相对简单。但对于翼身融合客机来说,其客舱的空间形状不规则,机翼必须足够厚(尤其是将机翼作为客舱时)才行,并且翼身融为一体,这些因素都大大增加了飞机结构设计的难度。

 

最后是制造方面。传统客机中,机身、机翼等大的部件外形区别明显,因此,制造时,不同的飞机部件可以分解、分配到不同的车间,相对独立地生产;待各个部件生产出来以后,再运往总装厂完成组装,最终生产出整架飞机。这种生产方式的最大好处就是效率高、成本低。相比之下,翼身融合客机的机身机翼为一体化形式,分布式的生产实施起来比较困难,制造成本自然也相对高昂。

 

现在,美国宇航局和波音公司正合作研究新一代的翼身融合飞机X-48。他们声称,这种翼身融合的飞机如果拿来载客,将能承载450800名乘客,并能省下超过20%的燃油。但经过我们上述的分析可知,翼身融合技术在民用客机中的应用似乎仍任重道远。此次美国宇航局和波音公司能否借助X-48飞机冲出重围,开辟一条翼身融合民用客机的崭新道路,我们拭目以待。

 

 

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