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时间:2019-10-27 13:09来源:中国航空新闻网 作者:中国航空
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如果让你想象未来的飞机长什么样?你的脑海中会浮现出什么样的画面?你大概会想到科幻电影中造型古怪的各种飞行器……

如果有一架未来的大飞机,它的机身和机翼看起来融为一体,没有明显的分界,尾翼小了很多,发动机位于飞机的尾部而不是机翼下,流线型的宽扁机身仿佛一只蓝鲸……这样的飞机,你会乘坐它吗?

10月24日下午,西北工业大学召开“西工大翼身融合布局民机核心设计技术取得重大原创性成果媒体记者见面会”,航空学院教授、翼身融合布局民机研究团队原负责人张彬乾、航空学院教授、飞行器布局设计研究所常务副所长桑为民带领他们的团队,向媒体记者介绍了他们十余年来取得的重大研究成果,描绘了未来大飞机的蓝图。

 

 

在航空领域,这种机翼、机身融合的飞机,被称为翼身融合布局(简称BWB)。

而目前国际通用的民航飞机,则是筒身-机翼型传统布局,它是由一个类似圆柱形的机身,再加上机翼、尾翼、发动机等所构成,机身和机翼之间的界限明显。然而,这种传统布局飞机经过数十年的发展,其空气动力效率的发挥已经接近极限。

翼身融合布局的机身和机翼融为一体,极具流线感的外形设计,让该型飞机在空气中具有传统飞机所不能企及的飞行性能,其气动效率高、结构重量轻、装载空间大,不但节能环保,还能有效降低噪音和发动机有害气体排放。世界民航组织、美国联邦航空管理局、欧洲航空安全局均认为,翼身融合布局民机是有望实现未来绿色航空“经济、环保、舒适、安全”要求的民机革命性技术之一。

 

 

NPU- 300设计概念图

正因如此,翼身融合布局民机的设计技术,多年来也成为国际航空界争相研究的领域。

西北工业大学牵头的国内“翼身融合民机技术研究团队”,在民机相关项目的支持下,经过十余年的潜心研究,在翼身融合布局民机总体综合设计技术方面取得重大原创性研究成果。其部分核心技术指标达到国际领先水平。

 

 

目前,翼身融合民机的一些主要关键技术已经系统开展了地面试验验证,并即将进入关键技术的集成验证和试飞验证阶段。2019年9月和10月,航空学报编辑部分别在中英文版《航空学报》和CJA(Chinese Journal of Aeronautics)专栏发表了这一研究成果。

 

 

团队部分核心成员(从左到右陈真利、陶于金、桑为民、张彬乾、李栋、张永杰、刘珊、张怡哲、袁昌盛)

翼身融合布局飞机是未来大型客机的发展方向

“目前,国际上通用的筒身-机翼构型的大型民用飞机,升阻比的极限在20左右,进一步提升的余地极其有限。”西北工业大学力学与土木学院院长、翼身融合布局民机研究团队负责人李栋教授介绍。

所谓升阻比,即飞机飞行时升力与阻力之比,是表示飞机气动效率的一个重要参数,升阻比越高,飞机的气动效率就越高,飞机的巡航飞行性能就越好。

然而,从民用航空的发展趋势来看,传统的筒身-机翼构型飞机由于布局的局限,升阻比无法继续有质的提升,导致其油耗、噪声、排放等环保指标无法进一步降低,不能满足日益增长的节能、降噪、减排等发展需求。

为了进一步推动民用航空发展,国际航空界都在寻找新的飞机布局。

20世纪90年代以来,NASA、波音、空客纷纷将翼身融合布局飞机定位为“确保未来宽体客机市场“的可行方案之一,并通过一系列国家层面的发展计划支持,开展了持续、系统、深入的研究。翼身融合布局飞机已俨然成为未来宽体客机的优先发展方向。

西工大攻克了翼身融合民机技术的核心难题

翼身融合布局民机研究团队原负责人、西北工业大学航空学院教授张彬乾剖析,研制翼身融合布局民机,主要有两个核心问题需要解决,一是设计方案的应用可行性问题,需重点解决如何在突出高气动效率的同时,满足起降、噪声、应急疏散、舒适性等要求;二是翼身融合布局民机特殊形状的增压客舱结构及其减重问题。

目前,国际上几个代表性概念方案,高速巡航性能都很好,但分别存在起降性能不高;宽短机身不易布置逃生舱门,无法达到世界民航组织规定的90秒应急撤离要求;过宽的客舱影响乘坐舒适性;增压客舱结构及其减重技术未突破等问题。因此,距工程应用仍有较大差距。

以西北工业大学为核心的国内翼身融合布局民机研究团队,汇集了航空院所、相关高校的优势力量,围绕翼身融合布局民机发展的核心技术挑战,脚踏实地,攻克了一个个技术难关。

所完成的NPU-300概念方案基本解决了应用可行性问题。经气动数值模拟和风洞试验、应急疏散仿真、飞行模拟仿真等验证表明,该方案不仅具有优异的高速巡航性能,起降性能显著提高;机身两侧均匀布置了8个舱门,很好地满足了90秒黄金逃生标准要求;客舱更少的每排座位设计使之具有良好的乘坐舒适性。整体性能达到了国际先进水平,部分指标处于领先地位。

概念机型已初步满足新一代民机要求

在西北工业大学未来飞行器研究中心,李栋教授正注视着NPU-300仿真模型。从侧面看去,这架飞机的“背部”平整光滑,机翼与机身融为一体,“腹部”微微向下鼓起——这便是它的机舱。

 

 

李老师和飞机模型照片

正因为这种独特的设计,NPU-300还具有强大的装载能力,设计载客300名或载重40吨、航程13000公里。

“根据国内外同类型飞机公开的数据来看,我们的NPU-300在诸多性能上,是有较明显优势的。”李栋说。

 

 

NPU-300机舱内上部为乘客区域,下部为载货区域

对于这个孕育了十几年的“宝贝”,研究团队如此描述:“从研究结果看,该款概念方案已初步满足了新一代民机经济性、环保性、舒适性、安全性的要求,比目前的筒体-机翼构型飞机具有质的飞跃。”

坚持自主创新,不迷信、不模仿国外技术

从翼身融合布局民机概念的提出,到核心技术的攻关,再到关键技术突破,以西工大为核心的研究团队,十几年来坚持自主创新的发展理念,脚踏实地、严谨务实、追求卓越。
 
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