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当设计师走进水族馆,发现了不一样的发动机布局
关键词:      时间:2020-11-13

去水族馆参观,一般都会见到一种形状奇特的鱼——鳐鱼。这种鱼的上半身呈扇形,身体扁平,尾巴细长,在水中游行速度很快。

未来飞机概念设计中,机身部分与鳐鱼的体形类似,机身扁平,机翼与机身几乎是一体的,也装着嵌入式、均匀分布的“发动机”,与鳐鱼的外形很像。

在第一架喷气式客机波音707正式投入商业运营至今的60年里,民航业高速发展,气动、结构、材料、控制等技术飞速迭代,带动发动机气动效率和燃油效率持续提升。

①波音707

② 波音787

然而,60年间,圆柱机身加机翼的总体气动布局和翼下吊挂的动力系统布局却几乎没有变化。不禁令人产生疑问:这两项设计是否真的达到最优?是否可以通过改变布局来进一步提升客机的气动和推进效率?

翼身融合与嵌入式/分布式动力布局很有可能是这个问题的答案。这种布局的特征是机身与机翼几乎融为一体,推进系统半埋在机身上表面的后部。“翼身融合与嵌入式/分布式动力”的概念自提出以来,一直是研究的热点,还被NASA认为是唯一一种能满足2035年民航界对排放、油耗和噪声的苛刻要求的布局解决方案。

翼身融合布局气动设计技术

翼身融合布局大大凸显了空气动力学的优势,相比传统的圆柱机身加机翼布局,翼身融合具有更小的浸润面积与体积比,能够降低摩擦阻力和翼身干扰阻力,进而提高升阻比;同时,由于仿机翼的机身设计可以提供升力,增加气动收益,也能给位于后部的发动机进气道提供一定的预压缩和整流作用。

△波音/NASA的X-48C

嵌入式/分布式动力设计技术

早在1976年,NASA和波音就在YC-14验证机上验证了“上表面吹气”技术,证明了当把发动机装在机翼上表面前缘时,尾流可以加速机翼和襟翼上表面的气流,诱发附壁效应,从而提高升力,改善起降性能。

△嵌入式动力系统截面示意图

在翼身融合布局飞机设计中,嵌入式动力布局可以产生同样的作用。通过将发动机埋入机身内部,进气系统吸入机身边界层,不仅可以最大限度地减少摩擦阻力和冲压阻力、降低结构重量,也有利于飞机的纵向平衡。

△嵌入式/分布式动力概念模型

分布式动力布局是在嵌入式动力布局的基础上,用多个小直径、小推力的风扇取代少量大推力发动机。

美国极光公司“雷击”无人机

这种设计优势体现在:

翼身上面空气流动更加均匀,可以优化空气吸入的效果;分布式动力布局在风扇直径不变的前提下,通过增加风扇数量来提高涵道比,提高亚声速推进效率;喷出的尾流可以加入飞机后缘的低速气流区,提高推进效率;减少了机翼的负载,从而降低机翼结构重量。

欧盟在“航迹2050”计划下探索了分布式混合电推进系统,空客、罗罗等航空企业以及荷兰研究机构纷纷参与设计研发。

嵌入式/分布式动力的未来

看起来“满满的正能量”,但作为全新的动力系统布局形式,嵌入式/分布式动力布局也面临诸多技术挑战,进气布局、传动、叶片包容性等众多关键因素都需要更为精细、科学的设计。

因此,在设计阶段,应该引入高保真的虚拟仿真技术,来提高设计方案分析和优化的精度和效率。未来,飞发一体化设计不仅涉及到多门学科之间的耦合,还需要新的设计体系、新的方法论乃至新的设计哲学与之匹配。

不过,随着世界经济持续发展,“绿色航空”主题深入人心,构型、气动、结构、材料、发动机、新能源、大数据、智能制造等技术发展成熟度不断提高,民机发展面临巨大变革。翼身融合飞机与嵌入式/分布式动力是民用航空界方兴未艾的热点领域,有望在未来取得突破。

(中国航发研究院 项洋)