洛克希德·馬丁“混合翼身布局概念”淺析

張斌++趙群力

2014年2月18日，美國《航空周刊》報道了洛克希德·馬丁公司提出的混合翼身布局概念（Hybrid Wing-Body，HWB）。HWB布局是一種翼身融合體布局與常規布局相結合的混合布局，其機體前部分采用翼身融合體布局，機體后部分采用常規后機身加尾翼布局。HWB布局最大的特點是空氣動力效率高、燃油消耗率低。據洛克希德·馬丁公司估計，HWB布局飛機的空氣動力效率要比C-17運輸機高65%，比C-5高30%，在低馬赫數下比波音787高5%。如果飛機采用雙發HWB布局，該飛機在有效載重為100噸的情況下，其起飛距離可小于1980米，飛行距離可達5900千米，其燃油消耗可比C-17運輸機降低70%。

HWB概念的提出背景

為了尋求能顯著提高運輸機空氣動力效率和能效的氣動布局，美國空軍研究實驗室（AFRL）在2009年啟動了“提高能效的革命性布局”（Revolutionary Configurations for Energy Efficiency，RCEE）項目。該項目提出的目標是，尋求先進啟動布局技術，要能夠將當時的燃油消耗降低90%、空氣動力效率提高30%，且新技術能在2030～2050年投入使用。RCEE項目分2個階段進行，第1階段為2009～2011年，目標是確定燃油消耗比現在降低90%的下一代空中運輸機布局；第2階段為2011～2015年，對所確定的新型氣動布局技術進行深入研究。

波音公司在第1階段提出了由多種構型組成的混合空中運輸編隊，包括有：有效載重為20噸的桁架式機翼全電推進運輸機設計；有效載重為40噸的分布式混合電推進運輸機設計；有效載重為100噸的翼身融合體混合電推進運輸機設計。上述設計均能滿足燃油消耗降低90%的要求。在第2階段，波音公司將集中研究分布式推進和混合電推進技術。

洛克希德·馬丁公司為了達到燃油消耗降低90%的目標，在項目第1階段對飛機各種氣動布局和技術進行了大量的研究，研究表明混合翼身布局（HWB）可能在降低燃油消耗方面具有巨大潛能。因此洛克希德·馬丁公司提出了HWB布局概念。在項目的第2階段，洛克希德·馬丁公司進一步細化了HWB布局。

HWB布局飛機的總體設計特點分析

HWB布局飛機具有較高的空氣動力效率和結構效率，并且可以像常規布局運輸機一樣在空投和空運時利用尾翼控制飛機的重心。HWB布局飛機的氣動設計有以下幾個特點：

機體前部采用翼身融合體布局

大量研究表明，翼身融合體（BWB）布局具有高效的氣動效率，HWB布局繼承了BWB布局的氣動優勢，機體前部也采用了翼身融合體布局，這樣可以減小阻力、增加升力、增加機體內部容積。飛機阻力主要包括摩擦阻力和誘導阻力。摩擦阻力與浸潤面積相關，浸潤面積越小摩擦阻力越小，在定容積情況下，與常規布局相比，HWB布局可以減小浸潤面積，從而減小摩擦阻力。HWB布局機身與機翼相互融合，可以有效減小常規布局中機身對機翼的氣動干擾，從而減小氣動阻力。此外，HWB布局可以在不增加機翼重量的情況下增加翼展，展弦比可以由常規布局的9增加到12，從而減小誘導阻力。HWB布局機身比常規布局更加扁平，整個機體是一個升力面，可以大大增加飛機的升力。HWB布局的扁平機身與機翼根部內部有足夠的裝載空間，可以進行大批次和特殊貨物的運輸。

機體后部采用常規后機身加尾翼布局

HWB布局飛機的機體后部采用常規后機身加尾翼布局，可以防止運輸機在空投時發生重心突變，并且具有良好的操縱性?？胀赌芰κ擒娪眠\輸機的重要技術指標之一，運輸機在實施空投任務時其重心會發生突變，甚至超出前、后限，這就需要通過操縱飛機的舵面來控制飛機的穩定性。HWB布局飛機可以通過尾翼來控制飛機，雖然與飛翼布局相比，T型尾翼會增加5%的誘導阻力，但在執行空投任務時尾翼可以利用魯棒控制保持飛機重心在20%平均氣動弦內。這對于完全采用BWB布局的飛機則是一個很大的技術挑戰，因為BWB布局的控制響應是非線性和高度耦合的，為了控制飛機，BWB布局飛機必須同時控制多個操縱面。此外，有了常規尾翼后，HWB布局飛機可以實現短距起降，并且飛行員可以像操縱C-5和C-17運輸機一樣容易操縱HWB布局飛機。

發動機安裝在機翼后緣上方

一直以來，飛機設計都避免發動機安裝在機翼后緣上方，因為這種安裝方式在跨聲速時會引起機翼不利干擾，但HWB布局飛機的設計者提出將發動機通過支柱支撐的方式安裝在機翼后緣上方。他們認為發動機安裝在機翼后緣上方有利于提高升力和升阻比、減小進氣道畸變、降低噪聲。洛克希德·馬丁公司對發動機安裝在機翼前緣，機翼后緣以及前機身位置時的巡航干擾阻力進行了研究。研究結果表明，發動機短艙安裝在機翼后緣上方有利于提高升阻比，并且發動機安裝在機翼后緣上方比發動機安裝在機翼下的空氣動力學效率要高5%。從增升角度看，將發動機安裝在機翼后緣上方，發動機吸入的氣流可以為機翼提供很大的吸升力，這可使最大升力系數增加15%。這種增升原理與C-17運輸機翼下形成高壓區的增升原理類似：C-17運輸機將發動機安裝在機翼下面，翼下發動機噴出氣流會打到下偏的襟翼上，從而在翼下形成高壓區進而起到增升作用。從進氣道效率來看，將發動機安裝在機翼后緣上方，發動機短艙前面長長的翼弦可以起到氣流導向器的作用，從而減少進氣道畸變。從噪聲角度來看，將發動機安裝在機翼后緣上方，機翼可以阻擋發動機噪聲，從而有效地減少噴氣發動機噪聲對地面的影響。

HWB布局的主要技術問題是結構問題

常規布局的機身為圓柱形機身，機身內部的壓力均勻分布，容易保持機身內部密封。但HWB布局的機身為扁平機身，這將使結構承受更大的壓力載荷，再加上要承載機翼彎曲載荷，所以HWB布局會存在結構問題。這是BWB布局的共性問題，采用BWB布局的X-48也面臨同樣的問題，經過研究NASA的研究人員提出采用復合結構來解決這個問題。

對HWB布局的幾點看法

NASA和波音公司對BWB布局進行了大量研究，其研究結果表明，BWB布局與常規布局相比，可以顯著提高空氣動力效率，降低燃油消耗，但BWB布局面對一個很大的技術挑戰，那就是飛行控制問題。洛克希德·馬丁公司提出的HWB布局很好地繼承了BWB布局的高效率氣動優勢，繞開了BWB布局的飛行控制問題，可謂是一種革命性氣動布局。其發展前景如下：

HWB布局有可能成為美軍下一代軍用運輸機優先選擇的氣動布局。

首先，HWB布局是針對軍用運輸機提出來的，HWB布局概念考慮了運輸機貨物裝載和空投時重心突變等問題。

其次，按照計劃C-17運輸機將在2033年開始退役，C-17運輸機的研制花費了21年，所以現在是美國開始著手研制下一代運輸機的時候了。從氣動效率角度看，BWB布局最有望成為美軍下一代軍用運輸機的優先氣動布局，但是BWB布局的控制問題現在仍然沒有得到解決，而機體后部采用常規尾翼布局的HWB布局規避了BWB布局存在的控制問題。所以HWB布局有望成為美軍下一代軍用運輸機優先選擇的氣動布局。

HWB布局有可能成為未來民用客機優先選擇的氣動布局。民用客機要求經濟性、安全性和靜音性好。據洛克希德·馬丁公司估計，HWB布局的氣動效率在低馬赫數下比波音787高5%；HWB布局發動機安裝在機翼后緣上方可以避免非包容性發動機事故沖擊到客艙、油箱；機身可以遮蔽風扇噪聲傳播，避免發動機排氣噪聲被機翼下表面反射。因此，HWB布局有利于提高飛機的經濟性、安全性和靜音性，有可能成為未來民用客機優先選擇的氣動布局。endprint