加拿大研究采用升力机身布局的未来支线飞机

没得比

　据报道，更高的燃油效率、更低的排放是飞机设计师永恒的追求。如今，加拿大的设计师发现，对于支线客机和喷气公务机等中小型民用飞机而言，设计相比于传统管状机身加机翼布局更加高效的布局面临更大的挑战。研究人员发现，大型民用飞机(譬如目前的宽体飞机)采用翼身融合(BWB)等非传统布局具有更高的气动和结构效率，对于支线飞机等小型飞机来说可能需要寻找其它更好的构型。

　　目前，加拿大民机工业在支线客机和喷气公务机领域有着非常成功的产品，正在向窄体客机领域进军，所以加拿大航空界将航空科技的研究重点聚焦在了如何提高小型民机(相比宽体飞机)的效率上来。

　　加拿大多伦多大学航空宇航学院(UTIAS)正在开展未来中小型民机创新布局的研究。在7月份华盛顿举行的AIAA2016航空大会上，UTIAS展示了他们的研究成果。研究表明，支线客机采用升力机身布局(LFC)能够获得高达8.2%的燃油效率提高。LFC布局相比传统管状机身加机翼布局有着更大的机身中心体，机身可提供更多的升力。

　　UTIAS的研究人员介绍，他们采用气动外形优化(ASO)技术研究了几种不同的布局，分别是管状机身加机翼布局、BWB布局和LFC布局，并将这些布局分别应用在100座级支线飞机、160座级窄体客机、220座级宽体客机和300座级宽体客机上进行了对比研究，研究发现：BWB布局可以提高大型飞机的燃油效率，对于小型飞机带来的燃油效率收益微乎其微;升力机身布局结合了BWB和管状机身加机翼布局的特点;100座级支线飞机采用升力机身布局预计可带来6-8%的燃油消耗降低。

　　近些年，BWB布局由于其较高的气动和结构效率带来的燃油改善潜力点燃了了众多研究机构和制造商的研究热情。但受其固有设计特点的限制，包括大大增加的客货舱容积，波音、NASA和其它众多机构已经将BWB布局研究聚焦于大型飞机。

　　根据UTIAS的分析，BWB布局的性能随着飞机尺寸的减小而降低，这个规律同之前NASA和其它机构的研究结果一致。相比传统布局宽体飞机，BWB布局可降低燃油消耗10.9%，而相比传统布局支线飞机，BWB布局基本没有燃油收益。

　　UTIAS的研究人员表示，BWB布局经常被提到的优势之一是相比传统管状机身加机翼布局有着更低的浸湿面积，浸湿面积是指飞机与气流的接触面积，与阻力直接相关，因此，更低的浸湿面积意味着阻力更低。经研究发现，这一优势对于大型飞机来说更加明显，但是对于支线和窄体干线飞机来说，BWB布局的浸湿面积要高出14-18%。

　　研究人员使用ASO方法，以浸湿面积最小化为目标，对传统布局飞机优化后得到了升力机身布局，对于支线和窄体干线飞机，这种布局呈现出细长的机身中心体和独特的机翼，对于宽体客机，则呈现出BWB布局的显著特征。

　　实际上，真正影响布局气动效率的参数是浸湿展弦比(展弦比与浸湿面积比的比值)，因为更高的展弦比意味着更低的诱导阻力。UTIAS目前的研究主要是找到最优布局的趋势而不是细节优化，因此优化中施加的约束较少，也没有考虑尾部构型和发动机位置等因素。

　　相比BWB布局，尽管LFC布局机身较窄，但机身中心体也承担了25-32%的升力，虽然比机身承担31-43%总升力的BWB布局稍低，但比传统管状机身承担的12-13%还是高了不少。UTIAS将LFC布局同麻省理工学院设计的D8双气泡机身布局进行了对比，D8的机身中心体承担了19%的升力，UTIAS的研究人员介绍，“LFC布局结合了BWB和D8的特点。它机身产生的升力大于D8，同时又保持了机身和机翼之间的光滑过渡。”

　　虽然更大级别的飞机需要在地板下布置货舱，这会增加机身中心体的厚度和阻力，因此，在LFC布局支线飞机中，货舱布置在客舱外部，即机翼机身过渡段。UTIAS认为，比较合理的机身中心线相对厚度应为9.6-11.2%。

　　UTIAS研究人员表示，LFC布局在支线飞机上的优势主要是由于浸湿面积降低带来的。BWB布局支线飞机相比传统布局浸湿面积增加了14%，但LFC布局将这个值降到了10%，虽然浸湿面积还是增加了，但随着也带来了展长的增加，总的效果是浸湿展弦比增大了43%。

　　UTIAS的分析表明，假定巡航高度为10972米，LFC布局的100座级支线飞机巡航燃油消耗可降低6.1%。如果巡航高度上升至对应更高展弦比的13411米，油耗降低幅度增加至8.2%。

　　研究人员得出结论：升力机身布局非常适合小型飞机，而BWB布局对这个级别的飞机几乎无法带来收益。研究人员还表示，最小化LFC布局的结构重量需要采用非圆形增压舱，由此会带来一定的重量增加，但这可一定程度上通过采用先进的结构设计，比如缝合复材结构来解决。