如果讓你想象未來(lái)的飛機(jī)長(zhǎng)什么樣？你的腦海中會(huì)浮現(xiàn)出什么樣的畫面？
你大概會(huì)想到科幻電影中造型古怪的各種飛行器……
如果有一架未來(lái)的大飛機(jī)，它的機(jī)身和機(jī)翼看起來(lái)融為一體，沒有明顯的分界，尾翼小了很多，發(fā)動(dòng)機(jī)位于飛機(jī)的尾部而不是機(jī)翼下，流線型的寬扁機(jī)身仿佛一只藍(lán)鯨……這樣的飛機(jī)，你會(huì)乘坐它嗎？
NPU-300設(shè)計(jì)概念圖
在航空領(lǐng)域，這種機(jī)翼、機(jī)身融合的飛機(jī)，被稱為翼身融合布局(簡(jiǎn)稱BWB)。
而目前國(guó)際通用的民航飛機(jī)，則是筒身-機(jī)翼型傳統(tǒng)布局，它是由一個(gè)類似圓柱形的機(jī)身，再加上機(jī)翼、尾翼、發(fā)動(dòng)機(jī)等所構(gòu)成，機(jī)身和機(jī)翼之間的界限明顯。然而，這種傳統(tǒng)布局飛機(jī)經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，其空氣動(dòng)力效率的發(fā)揮已經(jīng)接近極限。
翼身融合布局的機(jī)身和機(jī)翼融為一體，極具流線感的外形設(shè)計(jì)，讓該型飛機(jī)在空氣中具有傳統(tǒng)飛機(jī)所不能企及的飛行性能，其氣動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)重量輕、裝載空間大，不但節(jié)能環(huán)保，還能有效降低噪音和發(fā)動(dòng)機(jī)有害氣體排放。世界民航組織、美國(guó)聯(lián)邦航空管理局、歐洲航空安全局均認(rèn)為，翼身融合布局民機(jī)是有望實(shí)現(xiàn)未來(lái)綠色航空“經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、舒適、安全”要求的民機(jī)革命性技術(shù)之一。
正因如此，翼身融合布局民機(jī)的設(shè)計(jì)技術(shù)，多年來(lái)也成為國(guó)際航空界爭(zhēng)相研究的領(lǐng)域。
西北工業(yè)大學(xué)牽頭的國(guó)內(nèi)“翼身融合民機(jī)技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)”，在民機(jī)相關(guān)項(xiàng)目的支持下，經(jīng)過(guò)十余年的潛心研究，在翼身融合布局民機(jī)總體綜合設(shè)計(jì)技術(shù)方面取得重大原創(chuàng)性研究成果。其部分核心技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。
目前，翼身融合民機(jī)的一些主要關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)系統(tǒng)開展了地面試驗(yàn)驗(yàn)證，并即將進(jìn)入關(guān)鍵技術(shù)的集成驗(yàn)證和試飛驗(yàn)證階段。2019年9月和10月，航空學(xué)報(bào)編輯部分別在中英文版《航空學(xué)報(bào)》和CJA（Chinese Journal of Aeronautics)專欄發(fā)表了這一研究成果。
團(tuán)隊(duì)部分核心成員（從左到右陳真利、陶于金、桑為民、張彬乾、李棟、張永杰、劉珊、張怡哲、袁昌盛）
翼身融合布局飛機(jī)是未來(lái)大型客機(jī)的發(fā)展方向
“目前，國(guó)際上通用的筒身-機(jī)翼構(gòu)型的大型民用飛機(jī)，升阻比的極限在20左右，進(jìn)一步提升的余地極其有限?！蔽鞅惫I(yè)大學(xué)力學(xué)與土木學(xué)院院長(zhǎng)、翼身融合布局民機(jī)研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人李棟教授介紹。
所謂升阻比，即飛機(jī)飛行時(shí)升力與阻力之比，是表示飛機(jī)氣動(dòng)效率的一個(gè)重要參數(shù)，升阻比越高，飛機(jī)的氣動(dòng)效率就越高，飛機(jī)的巡航飛行性能就越好。
然而，從民用航空的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，傳統(tǒng)的筒身-機(jī)翼構(gòu)型飛機(jī)由于布局的局限，升阻比無(wú)法繼續(xù)有質(zhì)的提升，導(dǎo)致其油耗、噪聲、排放等環(huán)保指標(biāo)無(wú)法進(jìn)一步降低，不能滿足日益增長(zhǎng)的節(jié)能、降噪、減排等發(fā)展需求。
為了進(jìn)一步推動(dòng)民用航空發(fā)展，國(guó)際航空界都在尋找新的飛機(jī)布局。
20世紀(jì)90年代以來(lái)，NASA、波音、空客紛紛將翼身融合布局飛機(jī)定位為“確保未來(lái)寬體客機(jī)市場(chǎng)“的可行方案之一，并通過(guò)一系列國(guó)家層面的發(fā)展計(jì)劃支持，開展了持續(xù)、系統(tǒng)、深入的研究。翼身融合布局飛機(jī)已儼然成為未來(lái)寬體客機(jī)的優(yōu)先發(fā)展方向。
西工大攻克了翼身融合民機(jī)技術(shù)的核心難題
翼身融合布局民機(jī)研究團(tuán)隊(duì)原負(fù)責(zé)人、西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院教授張彬乾剖析，研制翼身融合布局民機(jī)，主要有兩個(gè)核心問題需要解決，一是設(shè)計(jì)方案的應(yīng)用可行性問題，需重點(diǎn)解決如何在突出高氣動(dòng)效率的同時(shí)，滿足起降、噪聲、應(yīng)急疏散、舒適性等要求；二是翼身融合布局民機(jī)特殊形狀的增壓客艙結(jié)構(gòu)及其減重問題。
目前，國(guó)際上幾個(gè)代表性概念方案，高速巡航性能都很好，但分別存在起降性能不高；寬短機(jī)身不易布置逃生艙門，無(wú)法達(dá)到世界民航組織規(guī)定的90秒應(yīng)急撤離要求；過(guò)寬的客艙影響乘坐舒適性；增壓客艙結(jié)構(gòu)及其減重技術(shù)未突破等問題。因此，距工程應(yīng)用仍有較大差距。
以西北工業(yè)大學(xué)為核心的國(guó)內(nèi)翼身融合布局民機(jī)研究團(tuán)隊(duì)，匯集了航空院所、相關(guān)高校的優(yōu)勢(shì)力量，圍繞翼身融合布局民機(jī)發(fā)展的核心技術(shù)挑戰(zhàn)，腳踏實(shí)地，攻克了一個(gè)個(gè)技術(shù)難關(guān)。
所完成的NPU-300概念方案基本解決了應(yīng)用可行性問題。經(jīng)氣動(dòng)數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)、應(yīng)急疏散仿真、飛行模擬仿真等驗(yàn)證表明，該方案不僅具有優(yōu)異的高速巡航性能，起降性能顯著提高；機(jī)身兩側(cè)均勻布置了8個(gè)艙門，很好地滿足了90秒黃金逃生標(biāo)準(zhǔn)要求；客艙更少的每排座位設(shè)計(jì)使之具有良好的乘坐舒適性。整體性能達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，部分指標(biāo)處于領(lǐng)先地位。
概念機(jī)型已初步滿足新一代民機(jī)要求
在西北工業(yè)大學(xué)未來(lái)飛行器研究中心，李棟教授正注視著NPU-300仿真模型。從側(cè)面看去，這架飛機(jī)的“背部”平整光滑，機(jī)翼與機(jī)身融為一體，“腹部”微微向下鼓起——這便是它的機(jī)艙。
李棟教授和飛機(jī)模型
正因?yàn)檫@種獨(dú)特的設(shè)計(jì)，NPU-300還具有強(qiáng)大的裝載能力，設(shè)計(jì)載客300名或載重40噸、航程13000公里。
“根據(jù)國(guó)內(nèi)外同類型飛機(jī)公開的數(shù)據(jù)來(lái)看，我們的NPU-300在諸多性能上，是有較明顯優(yōu)勢(shì)的?！崩顥澱f(shuō)。
NPU-300機(jī)艙內(nèi)上部為乘客區(qū)域，下部為載貨區(qū)域
對(duì)于這個(gè)孕育了十幾年的“寶貝”，研究團(tuán)隊(duì)如此描述：“從研究結(jié)果看，該款概念方案已初步滿足了新一代民機(jī)經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性、舒適性、安全性的要求，比目前的筒體-機(jī)翼構(gòu)型飛機(jī)具有質(zhì)的飛躍?！?/p>
堅(jiān)持自主創(chuàng)新，不迷信、不模仿國(guó)外技術(shù)
從翼身融合布局民機(jī)概念的提出，到核心技術(shù)的攻關(guān)，再到關(guān)鍵技術(shù)突破，以西工大為核心的研究團(tuán)隊(duì)，十幾年來(lái)堅(jiān)持自主創(chuàng)新的發(fā)展理念，腳踏實(shí)地、嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)、追求卓越。
團(tuán)隊(duì)集中國(guó)內(nèi)大飛機(jī)技術(shù)研究的主要力量，形成了產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的協(xié)同創(chuàng)新機(jī)制。西北工業(yè)大學(xué)與中國(guó)商飛、航空工業(yè)集團(tuán)、北京航空航天大學(xué)等多家研究機(jī)構(gòu)和院校，強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期合作，形成了堅(jiān)持自主創(chuàng)新、不迷信模仿、追求卓越、團(tuán)結(jié)拼搏的產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)，為翼身融合布局民機(jī)研究的深入和工程化，培養(yǎng)儲(chǔ)備了大量高水平人才。
經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的探索和培養(yǎng)，在西工大已經(jīng)形成了老中青教師梯隊(duì)分布、專業(yè)覆蓋全面的核心研究團(tuán)隊(duì)。
張彬乾說(shuō)：“一款大飛機(jī)從概念提出到市場(chǎng)化應(yīng)用，是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，需要幾十年、幾代人的接力奮斗，這就需要我們培養(yǎng)好科研人才、建設(shè)好科研隊(duì)伍。讓年輕人在科研中不斷得到鍛煉和成長(zhǎng)?！?/p>
張彬乾教授與博士生討論
努力成為世界民機(jī)發(fā)展的領(lǐng)跑者和標(biāo)準(zhǔn)制定者
經(jīng)過(guò)幾代人的努力，我國(guó)大型客機(jī)的研發(fā)取得了舉世矚目的發(fā)展。ARJ-21運(yùn)行、C919試飛成功，都是我國(guó)民用大飛機(jī)的里程碑成果。不過(guò)，不可否認(rèn)的是，要在民用大飛機(jī)領(lǐng)域形成與歐美三足鼎立的格局，我國(guó)的民用航空發(fā)展仍然要面臨巨大挑戰(zhàn)。
C919圖自西工大新聞網(wǎng)
新一代翼身融合布局民機(jī)技術(shù)，是世界民用航空的潛在未來(lái)，推進(jìn)該技術(shù)發(fā)展將有可能使我國(guó)在民用大飛機(jī)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)跨越發(fā)展，成為技術(shù)的領(lǐng)跑者和標(biāo)準(zhǔn)的制定者，并帶動(dòng)相關(guān)一系列科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提升我國(guó)在未來(lái)民機(jī)市場(chǎng)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。
接下來(lái)，翼身融合布局民機(jī)關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)的集成與飛行驗(yàn)證工作將進(jìn)一步展開，研究團(tuán)隊(duì)將結(jié)合西工大在無(wú)人機(jī)研究領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，加速開展NPU-300縮比無(wú)人機(jī)飛行驗(yàn)證。
李棟說(shuō)：“我們預(yù)計(jì)用15年左右的時(shí)間，分步實(shí)施，從較小尺寸的無(wú)人機(jī)試飛到大尺寸的無(wú)人機(jī)飛行驗(yàn)證，加速推動(dòng)翼身融合民機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步成熟，期望通過(guò)關(guān)鍵技術(shù)的集成驗(yàn)證，促進(jìn)翼身融合民機(jī)從概念方案和關(guān)鍵技術(shù)研究向型號(hào)預(yù)研的轉(zhuǎn)變，以期盡快為國(guó)家大型民用飛機(jī)發(fā)展服務(wù)?！?/p>
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文案 | 趙珍
圖片 | 郭友軍
編輯 | 王翠萍
審核 | 付怡
責(zé)編 | 雷軍 劉建平
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